(57)【要約】  チャープ光学距離検出のドップラー修正のための技術は、戻り光学信号と、周波数を経時的に増加させるアップチャープを有する第１のチャープ送信光学信号との間の対応する周波数差に基づいて、距離の第１のセットを得ることを含む。距離の第２のセットは、戻り光学信号とダウンチャープを有する第２のチャープ送信光学信号との間の対応する周波数差に基づいて得られる。コスト関数についての値のマトリックスが決定され、距離の各対１つの値は、第１のセットにおける１つの距離および第２のセットにおける１つの距離を含む。一致する第１のセットにおける１つの距離および第２のセットにおける対応する１つの距離の対は、マトリックスに基づいて決定される。距離に対するドップラー効果は、一致する距離の対を組み合わせることに基づいて決定される。デバイスはドップラー効果に基づいて操作される。【選択図】図８
2019537012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセッサ上で実施される方法であって、該方法は：
第１のチャープ送信光学信号と比較された戻り光学信号における対応する周波数差に基づいて、１以上の距離の第１のセットを得る工程であって、第１のチャープ送信光学信号は、周波数を経時的に増加させるアップチャープを含む、工程と；
第２のチャープ送信光学信号と比較された戻り光学信号における対応する周波数差に基づいて、１以上の距離の第２のセットを得る工程であって、第２のチャープ送信光学信号は、周波数を経時的に減少させるダウンチャープを含む、工程と；
コスト関数についての値のマトリックスを決定する工程であって、コスト関数についての１つの値は距離の各対に対するものであり、距離の各対は第１のセットにおける１つの距離および第２のセットにおける１つの距離を含む、工程と；
値のマトリックスに基づいて、第１のセットにおける１つの距離および第２のセットにおける対応する１つの距離を含む、一致した距離の対を決定する工程と；一致した距離の対を組み合わせることに基づいて、距離に対するドップラー効果を決定する工程と；
距離に対するドップラー効果に基づいてデバイスを操作する工程と、
を含む方法。
【請求項２】
コスト関数は、第１のセットにおける距離と第２のセットにおける距離との間の差に基づく、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
距離に対するドップラー効果に基づいてデバイスを操作する工程は、第１のチャープ送信光学信号および第２のチャープ送信光学信号によって照射される、複数のスポットにおける任意の物体のドップラー修正位置を示す画像をディスプレイ装置上に提示することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
距離に対するドップラー効果に基づいてデバイスを操作する工程は、第１のチャープ送信光学信号および第２のチャープ送信光学信号によって照射される、複数のスポットにおけるドップラー修正位置の点群に基づいて、少なくとも１つの物体を識別するデータをデバイスに伝達することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
距離に対するドップラー効果に基づいてデバイスを操作する工程は、第１のチャープ送信光学信号および第２のチャープ送信光学信号によって照射される、複数のスポットにおけるドップラー効果の大きさを示す画像をディスプレイ装置上に提示することをさらに含み、それによって、移動する物体は静止物体ならびに存在しない物体と区別される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
距離に対するドップラー効果に基づいてデバイスを操作する工程は、物体との衝突を回避するために車両を移動させることをさらに含み、ここで、車両と物体との間の閉成速度は、第１のチャープ送信光学信号および第２のチャープ送信光学信号によって照射される複数のスポットにおけるドップラー効果の大きさに基づいて決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
距離に対するドップラー効果に基づいてデバイスを操作する工程は、第１のチャープ送信光学信号および第２のチャープ送信光学信号によって照射される複数のスポットにおけるドップラー修正位置の点群に基づいて、車両または物体を識別することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
命令の１つ以上のシーケンスを伝達するコンピュータ可読媒体であって、
ここで、１つ以上のプロセッサによる命令の１つ以上のシーケンスの実行は：
第１のチャープ送信光学信号と比較した戻り光学信号における対応する周波数差に基づいて、１以上の距離の第１のセットを得る工程であって、第１のチャープ送信光学信号は周波数を経時的に増加させるアップチャープを含む、工程と；
第２のチャープ送信光学信号と比較された戻り光学信号における対応する周波数差に基づいて、１以上の距離の第２のセットを得る工程であって、第２のチャープ送信光学信号は周波数を経時的に減少させるダウンチャープを含む、工程と；
コスト関数についての値のマトリックスを決定する工程であって、コスト関数についての１つの値は距離の各対に対するものであり、距離の各対は第１のセットにおける１つの距離および第２のセットにおける１つの距離を含む、工程と；
値のマトリックスに基づいて、第１のセットの１つの距離および第２のセットの対応する１つの距離を含む一致する距離の対を決定する工程と；
一致する距離の対を組み合わせることに基づいて、距離に対するドップラー効果を決定する工程と；
距離に対するドップラー効果に基づいてデバイスを作動させる工程と、
を１つ以上のプロセッサに実施させる、コンピュータ可読媒体。
【請求項９】
装置であって、該装置は：
少なくとも１つのプロセッサと；
命令の１つ以上のシーケンスを含む少なくとも１つのメモリを含み、
少なくとも１つのメモリおよび命令の１つ以上のシーケンスは、少なくとも、
第１のチャープ送信光学信号と比較した戻り光学信号における対応する周波数差に基づいて、１以上の距離の第１のセットを得る工程であって、第１のチャープ送信光学信号は周波数を経時的に増加させるアップチャープを含む、工程と；
第２のチャープ送信光学信号と比較された戻り光学信号における対応する周波数差に基づいて、１以上の距離の第２のセットを得る工程であって、第２のチャープ送信光学信号は周波数を経時的に減少させるダウンチャープを含む、工程と；
コスト関数についての値のマトリックスを決定する工程であって、コスト関数についての１つの値は距離の値の各対に対するものであり、距離の各対は第１のセットにおける１つの距離および第２のセットにおける１つの距離を含む、工程と；
値のマトリックスに基づいて、第１のセットにおける１つの距離および第２のセットにおける対応する１つの距離を含む一致する距離の対を決定する工程と；
一致する距離の対を組み合わせることに基づいて、距離に対するドップラー効果を決定する工程と；
距離に対するドップラー効果に基づいてデバイスを作動させる工程と、
を少なくとも１つのプロセッサを用いて装置に実行させるように構成される、装置。
【請求項１０】
装置であって、該装置は：
第１の光周波数帯域のアップチャープおよび第１の光周波数帯域に重複しない第２の光周波数帯域のダウンチャープを含む光学の第１の信号を提供するように構成されるレーザー源と；
第１の信号を受け取り、かつ光送信信号および光参照信号を生成するように構成される第１のスプリッタと；
送信信号を装置の外側に向けるように、かつ送信信号によって照射される物体から後方散乱される任意の戻り信号を受け取るように構成される光カプラと；
送信信号または戻り信号を、参照信号に対して既知の周波数シフトに変えるように構成される周波数シフタと；
既知の周波数シフトが適用された後、参照信号および戻り信号を受け取るように配置される光学検出器と；
プロセッサと、を含み、
該プロセッサは、光学検出器から電気信号を受け取る工程と；
電気信号の第１の周波数帯域における０以上のビート周波数の第１のセットを決定すること、および電気信号の第２の重複しない周波数帯域における０以上のビート周波数の第２のセットを決定することによって、送信信号によって照射される任意の物体の動きによるドップラー効果の決定をサポートする工程であって、
ここで、第１の周波数帯域および第２の重複しない周波数帯域は、既知の周波数シフトに基づいて決定される、工程と、
を行なうように構成される、装置。
【請求項１１】
レーザー源が：
ｆ０のキャリア周波数を有する光線を提供するように構成されるレーザーと；
ｆａとｆｂとの間に延びる周波数帯域において第１のチャープを生成するように構成された無線周波数波形発生器であって、ここで、ｆｂ〉ｆａ〉０である、無線周波数波形発生器と；
第１のチャープに基づいて第１の信号を生産するように構成された変調器であって、
第１の光周波数帯域はキャリア周波数の第１の側波帯にあり、および第２の光周波数帯域は第１の側波帯に重複しない第２の側波帯にある、変調器と、
をさらに含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
システムであって、該システムは：
請求項１０に記載の装置と；
少なくとも１つのプロセッサと；
命令の１つ以上のシーケンスを含む少なくとも１つのメモリと、を含み、
少なくとも１つのメモリおよび命令の１つ以上のシーケンスは、少なくとも、
０以上のビート周波数の第１のセットにおける対応するビート周波数に基づいて１以上の距離の第１のセットを決定する工程と；
０以上のビート周波数の第２のセットにおける対応するビート周波数に基づいて、１以上の距離の第２のセットを決定する工程と；
コスト関数についての値のマトリックスを決定する工程であって、コスト関数についての１つの値は距離の各対に対するものであり、距離の各対は第１のセットにおける１つの距離および第２のセットにおける１つの距離を含む、工程と；
値のマトリックスに基づいて、第１のセットにおける１つの距離および第２のセットにおける対応する１つの距離を含む一致する距離の対を決定する工程と；
一致する距離の対を組み合わせることに基づいて、距離に対するドップラー効果を決定する工程と；
ドップラー効果に基づいてデバイスを動作させること、
を少なくとも１つのプロセッサを用いてシステムに実施させるように構成される、システム。
【請求項１３】
装置であって、該装置は：
第１の光周波数帯域のアップチャープおよび第１の光周波数帯域に重複しない第２の光周波数帯域のダウンチャープを含む、光学の第１の信号を提供するように構成されるレーザー源と；
第１の信号を受け取り、かつ光送信信号および光参照信号を生成するように構成される第１のスプリッタと；
送信信号を装置の外側に向けるように、かつ送信信号によって照射される物体から後方散乱される任意の戻り信号を受け取るように構成される光カプラと；
参照信号の２つのコピーおよび戻り信号の２つのコピーを生成するように構成された第２のスプリッタと；
第１の光周波数帯域を通過させ、かつ第２の光周波数帯域を遮断するように構成された第１の光学フィルターと；
第２の光周波数帯域を通過させ、かつ第１の光周波数帯域を遮断するように構成された第２の光学フィルターと；
第１の光学フィルターを通過した後、参照信号の１つのコピーおよび戻り信号の１つのコピーを受け取るように配置される第１の光学検出器と；
第２の光学フィルターを通過した後、参照信号の異なるコピーおよび戻り信号の異なるコピーを受け取るように配置される第２の光学検出器と；
プロセッサと、を含み、
該プロセッサは、第１の光学検出器から第１の電気信号を受け取り、第２の光学検出器から第２の電気信号を受け取る工程と；
第１の電気信号における０以上のビート周波数の第１のセットを決定すること、および第２の電気信号における０以上のビート周波数の第２のセットを決定することによって、送信信号によって照射される任意の物体の動きによるドップラー効果の決定をサポートする工程と、
を行うように構成される、装置。
【請求項１４】
レーザー源が、
ｆ０のキャリア周波数を有する光線を提供するように構成されるレーザーと；
ｆａとｆｂとの間に延びる周波数帯域において第１のチャープを生成するように構成された無線周波数波形発生器であって、ここで、ｆｂ〉ｆａ〉０である、無線周波数波形発生器と；
第１のチャープに基づいて第１の信号を生産するように構成された変調器であって、ここで、第１の光周波数帯域はキャリア周波数の第１の側波帯にあり、および第２の光周波数帯域は第１の側波帯に重複しない第２の側波帯にある、変調器と、
をさらに含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
システムであって、該システムは：
請求項１３に記載の装置と；
少なくとも１つのプロセッサと；
命令の１つ以上のシーケンスを含む少なくとも１つのメモリと、を含み、
少なくとも１つのメモリおよび命令の１つ以上のシーケンスは、少なくとも、０以上のビート周波数の第１のセットにおける対応するビート周波数に基づいて、１以上の距離の第１のセットを決定する工程と；
０以上のビート周波数の第２のセットにおける対応するビート周波数に基づいて、１以上の距離の第２のセットを決定する工程と；
コスト関数についての値のマトリックスを決定する工程であって、コスト関数についての１つの値は距離の各対に対するものであり、距離の各対は第１のセットにおける１つの距離および第２のセットにおける１つの距離を含む、工程と；
値のマトリックスに基づいて、第１のセットにおける１つの距離および第２のセットにおける対応する１つの距離を含む、一致する距離の対を決定する工程と；
一致する距離の対を組み合わせることに基づいて、距離に対するドップラー効果を決定する工程と；
ドップラー効果に基づいてデバイスを動作させる工程と、
を少なくとも１つのプロセッサを用いてシステム実施させるように構成される、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願の相互参照＞
本出願は、２０１６年１１月３０日に出願された仮出願６２／４２８，１０９の利益を主張し、３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）に従って、その全体の内容が、あたかも完全に本明細書に記載されるかのように、参照によって本明細書に組込まれる。
【０００２】
＜政府利益の陳述＞
本発明は、陸軍省によって与えられた契約Ｗ９１３２Ｖ−１４−Ｃ−０００２の下で、政府支援を受けてなされた。政府は本発明において一定の権利を有している。
【背景技術】
【０００３】
ニーモニックでしばしばＬＩＤＡＲ、または光検出と測距、と呼ばれる距離の光学的検出は、高度測量から画像化、衡突防止まで、様々な用途に使用される。ＬＩＤＡＲは、電波検出と測距（ＲＡＤＡＲ）などの従来のマイクロウェーブ測距システムよりも小さなビームサイズを用いた、より細かい目盛範囲分解能を提供する。距離の光学的検出は、ターゲットまでの光パルスの往復移動時間に基づく直接測距（ｄｉｒｅｃｔ  ｒａｎｇｉｎｇ）、および伝送されたチャープ光学信号とターゲットから散乱された戻り信号との間の周波数差に基づくチャープ検出を含むいくつかの異なる技術を用いて達成することができる。
【０００４】
許容できる距離精度および検出感度を達成するために、直接長距離ＬＩＤＡＲシステムは低いパルス繰返し率および非常に高いパルスピークパワーを有する短いパルスレーザを使用する。高いパルスパワーは、光学コンポーネントの急速分解に結びつく可能性がある。チャープＬＩＤＡＲシステムは、比較的低いピーク光学パワーを有する長い光パルスを使用する。この構成では、距離精度は、パルス持続時間ではなくチャープ帯域幅に依拠し、したがって、優れた距離精度が依然として得られ得る。
【０００５】
光搬送波を変調するために、広帯域の無線周波数（ＲＦ）電気信号を使用して有用な光チャープ帯域幅が達成された。チャープＬＩＤＡＲの最近の進歩は、光学検出器で戻り信号と組み合わせられる参照信号と同じ変調された光搬送波の使用を含み、結果としてもたらされる電気信号において、参照光学信号と戻り光学信号の間の周波数の差に比例する比較的低いビート周波数を生成する。検出器の周波数差のこの種のビート周波数検出は、ヘテロダイン検出と呼ばれる。それは、入手しやすく安価なＲＦコンポーネントの使用の利点など、当技術分野において知られるいくつかの利点を有する。米国特許第７，７４２，１５２に記載される最近の研究は、参照光学信号として、送信された光学信号から分割される光学信号を使用する、新しくより単純な光学コンポーネントの配置を示す。この配置は、その特許においてホモダイン検波と呼ばれる。
【発明の概要】
【０００６】
本発明者は、光チャープを用いて検出された距離に対する物体の動きが、ドップラー周波数シフトによりそのような用途に顕著に影響する状況および用途を認識した。ドップラー効果を検出するための、およびそのような光チャープ距離測定におけるドップラー効果を補正するための技術が提供される。
【０００７】
第１のセットの実施形態では、プロセッサ上で実施された方法は、第１のチャープ送信光学信号と比較された戻り光学信号の対応する周波数差に基づいて、１以上の距離の第１のセットを得ることを含む。第１のチャープ送信光学信号は、その周波数を経時的に増加させるアップチャープを含む。方法は、第２のチャープ送信光学信号と比較された戻り光学信号の対応する周波数差に基づいて、１以上の距離の第２のセットを得ることをさらに含む。第２のチャープ送信光学信号は、その周波数を経時的に減少させるダウンチャープを有する。方法は、コスト関数についての値のマトリックスを決定することをさらに含み、コスト関数についての１つの値は各対の距離に対するものであり、各対の距離は、第１のセットにおける１つの距離および第２のセットにおける１つの距離を含む。さらに、方法は、第１のセットにおける１つの距離および対応する第２のセットにおける１つの距離を含む一致する距離の対を決定することを含み、ここで、その対応は値のマトリックスに基づく。さらに、方法は、一致する距離の対を組み合わせることに基づいて、距離に対するドップラー効果を決定することを含む。さらに、方法は、ドップラー効果に基づいてデバイスを操作することを含む。
【０００８】
第２のセットの実施形態では、装置は、第１の光周波数帯域のアップチャープと、第１の光周波数帯域に重複しない第２の光周波数帯域の同時ダウンチャープとからなる第１の光学信号を提供するように構成されるレーザー源を含む。装置は、第１の信号を受け取るように、かつ送信信号および参照信号を生成するように構成される第１のスプリッタを含む。装置は、送信信号を装置の外側に向けるように、かつ送信信号によって照射される任意の物体から後方散乱された任意の戻り信号を受け取るように構成される光カプラをさらに含む。装置は、送信信号または戻り信号を、参照信号に対して既知の周波数シフトに変えるように構成された周波数シフタさらに含む。さらに、装置は、既知の周波数シフトが適用された後に、参照信号および戻り信号を受け取るように配置される光学検出器を含む。加えて、装置は、光学検出器から電気信号を受け取る工程を行なうように構成されたプロセッサをさらに含む。プロセッサは、電気信号の第１の周波数帯域における０以上のビート周波数の第１のセット、および電気信号の第２の重複しない周波数帯における０以上のビート周波数の第２のセットを決定することによって、送信信号によって照射される任意の物体の動きによるドップラー効果の決定をサポートするようにさらに構成される。第１の周波数帯域および第２の重複しない周波数帯域は、既知の周波数シフトに基づいて決定される。
【０００９】
第２のセットのいくつかの実施形態では、レーザー源は、レーザー、無線周波数波形発生器、および変調器からなる。レーザーは、ｆ０のキャリア周波数を有する光線を提供するように構成される。無線周波数波形発生器は、ｆａとｆｂとの間に延びる無線周波数帯において第１のチャープを生成するように構成され、ここでｆｂ〉ｆａ〉０である。変調器は、第１のチャープに基づいて、第１の光周波数帯域がキャリア周波数の第１の側波帯にあり、第２の光周波数帯域が第１の側波帯に重複しない第２の側波帯にある第１の光学信号を生産するように構成される。
【００１０】
第３のセットの実施形態では、装置は、第１の光周波数帯域のアップチャープ、および第１の光周波数帯域に重複しない第２の光周波数帯域の同時ダウンチャープからなる第１の光学信号を提供するように構成されるレーザー源を含む。装置は、第１の信号を受け取るように、かつ送信信号および参照信号を生成するように構成される第１のスプリッタを含む。装置は、送信信号を装置の外側に向けるように、かつ送信信号によって照射される任意の物体から後方散乱された任意の戻り信号を受け取るように構成される光カプラをさらに含む。さらに、装置は、参照信号の２つのコピーおよび戻り信号の２つのコピーを生成するように構成される第２のスプリッタを含む。さらに、装置は２つの光学フィルターを含む。第１の光学フィルターは、第１の光周波数帯域を通過させ、第２の光周波数帯域を遮断するように構成される。第２の光学フィルターは、第２の光周波数帯域を通過させ、第１の光側波帯を遮断するように構成される。装置は、２つの光学検出器をさらに含む。第１の光学検出器は、第１の光学フィルターを通過した後に、参照信号の１つのコピーおよび戻り信号の１つのコピーを受け取るように配置される。第２の光学検出器は、第２の光学フィルターを通過した後に、参照信号の異なるコピーおよび戻り信号の異なるコピーを受け取るように配置される。加えて、装置は、第１の光学検出器から第１の電気信号を、および第２の光学検出器から第２の電気信号を受け取るステップを行なうように構成されるプロセッサをさらに含む。プロセッサは、第１の電気信号の０以上のビート周波数の第１のセットを決定すること、および第２の電気信号の０以上のビート周波数の第２のセットを決定することによって、送信信号によって照射される任意の物体の動きによるドップラー効果の決定をサポートするようにさらに構成される。
【００１１】
他の実施形態では、システムまたは装置あるいはコンピュータ可読媒体は、上記方法の１つ以上の工程を行なうように構成される。
【００１２】
さらに他の態様、特徴、および利点は、本発明を実行するために企図される最良の形態を含む、多くの特定の実施形態および実施を単に例証することにより、以下の詳細な記載から容易に明白である。さらに、他の実施形態は他のおよび様々な特徴と利点も例証することができ、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、その詳細のいくつかを様々な明らかな点で修正することができる。それに応じて、図面と説明は本質的に例示的なものと見なされるべきであって、限定的として見なされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
同様の参照符号が類似した要素を指す添付図面の図において、例によって、および限定することなく、実施形態が例証される：
【図１Ａ】一実施形態にかかる、距離の例示的光チャープ測定を例証するグラフのセットである。
【図１Ｂ】一実施形態にかかる、距離を示す、チャープ除去（ｄｅ−ｃｈｉｒｐｉｎｇ）から生じるビート周波数の例示的測定を例証するグラフである。
【図２Ａ】様々な実施形態にかかる、高分解能ＬＩＤＡＲシステムの例示的コンポーネントを例証するブロック図である。
【図２Ｂ】様々な実施形態にかかる、高分解能ＬＩＤＡＲシステムの例示的コンポーネントを例証するブロック図である。
【図３Ａ】一実施形態にかかる、ヘテロダインチャープＬＩＤＡＲシステムの例示的コンポーネントを例証するブロック図である。
【図３Ｂ】一実施形態にかかる、ホモダインチャープＬＩＤＡＲシステムの例示的コンポーネントを例証するブロック図である。
【図４Ａ】一実施形態にかかる、アップチャープＬＩＤＡＲシステムからのビート周波数ピークに基づく、ターゲットが動いている場合のいくつかのターゲットまでの距離を示す例示的グラフを例証するブロック図である。
【図４Ｂ】一実施形態にかかる、ダウンチャープＬＩＤＡＲシステムからのビート周波数ピークに基づく、ターゲットが動いている場合のいくつかのターゲットまでの距離を示す例示的グラフを例証するブロック図である。
【図５Ａ】一実施形態にかかる、ＬＩＤＡＲシステムのための例示的な連続的なアップチャープおよびダウンチャープ送信光学信号を例証するグラフである。
【図５Ｂ】一実施形態にかかる、ＬＩＤＡＲシステムのための例示的な同時アップチャープおよびダウンチャープ送信光学信号を例証するグラフである。
【図５Ｃ】一実施形態にかかる、ＬＩＤＡＲシステムのための同時アップチャープおよびダウンチャープ送信光学信号を生成するために、変調器によって生成された例示的一次側波帯を例証するグラフである。
【図５Ｄ】他の実施形態にかかる、光搬送波に対するＬＩＤＡＲシステムのための例示的な同時アップチャープおよびダウンチャープ送信光学信号ならびに参照信号（ＬＯ）を例証するグラフである。
【図５Ｅ】他の実施形態にかかる、光搬送波に対するＬＩＤＡＲシステムのための例示的なシフトされた同時アップチャープおよびダウンチャープ送信光学信号ならびに参照信号（ＬＯ）を例証するグラフである。
【図６】一実施形態にかかる、同時アップチャープおよびダウンチャープＬＩＤＡＲシステムのための例示的コンポーネントを例証するブロック図である。
【図７Ａ】一実施形態にかかる、例示的な対のアップチャープおよびダウンチャープの距離を例証するブロック図である。
【図７Ｂ】一実施形態にかかる、図７Ａに示される例示的な対のアップチャープおよびダウンチャープの距離に対応する例示的なコストマトリックスを例証するブロック図である。
【図８】一実施形態にかかる、距離に対するドップラー効果を補正するために、アップチャープおよびダウンチャープのＬＩＤＡＲシステムを使用するための例示的な方法を例証するフローチャートである。
【図９Ａ】一実施形態にかかる、ドップラー修正距離および非修正距離に対する改善に基づくディスプレイ装置上の出力例を例示する画像である。
【図９Ｂ】一実施形態にかかる、ドップラー修正距離および非修正距離に対する改善に基づくディスプレイ装置上の出力例を例示する画像である。
【図９Ｃ】一実施形態にかかる、ドップラー修正距離および非修正距離に対する改善に基づくディスプレイ装置上の出力例を例示する画像である。
【図１０Ａ】一実施形態にかかる、ＬＩＤＡＲシステムに接近するターゲットについて、ドップラー修正距離に基づくディスプレイ装置上の出力例を例証する３つの画像のセットである。
【図１０Ｂ】一実施形態にかかる、ＬＩＤＡＲシステムから後退するターゲットについて、ドップラー修正距離に基づくディスプレイ装置上の出力例を例示する３つの画像のセットである。
【図１１】一実施形態にかかる、高分解能でドップラー修正距離に基づくディスプレイ装置上の出力例を例証する画像である。
【図１２】本発明の実施形態が実施され得るコンピュータシステムを例証するブロック図である。
【図１３】本発明の実施形態が実施され得るチップセットを例証する。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
光チャープ距離検出のドップラー補正のための方法および装置ならびにシステムおよびコンピュータ可読媒体が記載されている。以下の説明では、説明の目的で、本発明の完全な理解を提供するために多数の具体的な詳細が記載されている。しかしながら、本発明がこれらの具体的な詳細なしで実施されてもよいことは当業者に明らかであろう。他の例では、本発明を不必要に不明瞭にすることを避けるために、周知の構造および装置がブロック図の形態で示されている。
【００１５】
広い範囲を示す数値範囲およびパラメーターは近似値であるものの、特定の非限定的な例に示される数値は、可能な限り正確に報告される。しかしながら、いずれの数値も、本稿執筆時点で各試験測定値に見られる標準偏差から必然的に生じる特定の誤差を本質的に含む。さらにまた、文脈から他に明らかでない限り、本明細書に提示される数値は、最下位桁によって与えられる暗黙の精度を有する。したがって、値１．１は、１．０５から１．１５までの値を意味する。「約（ａｂｏｕｔ）」という用語は、所与の値を中心としたより広い範囲を示すために使用され、文脈から明らかな場合を除いて、「約１．１」のように最下位桁付近のより広い範囲を意味する場合は、１．０から１．２の範囲を意味する。最下位桁が不明確である場合、「約」という用語は、２倍の増減幅を意味し、例えば、「約Ｘ」は、０．５Ｘから２Ｘの範囲内の値を意味し、例えば、約１００は、５０から２００の範囲内の値を意味する。さらに、本明細書に開示されている全ての範囲は、その中に包含されるありとあらゆる部分的範囲を包含するものと理解されるべきである。例えば、「１０未満」の範囲は、最小値ゼロ以上最大値１０以下のありとあらゆる部分的範囲、すなわち、例えば１から４などのゼロ以上の最小値および１０以下の最大値を有するありとあらゆる部分的範囲を含むことができる。
【００１６】
本発明のいくつかの実施形態は、線形周波数変調光信号に関連して以下に説明されるが、チャープは、線形である必要はなく、任意の時間的に変化する変化率に応じて周波数を変化させることができる。実施形態は、線形ステッピングまたは回転光学部品などの任意の既知の走査手段を使用してあるいは送信機および検出器のアレイまたは一対の検出器によってその後に走査されることができる、単一の光ビームおよび単一の検出器または一対の検出器への戻りに関して説明される。
【００１７】
１．チャープ検出の概要
図１Ａは、実施形態にかかる、例示的な距離の光チャープ測定値を示す一組のグラフ（１１０、１２０、１３０、１４０）である。横軸（１１２）は、４つのグラフ全てについて同じであり、ミリ秒（ｍｓ、１ｍｓ＝１０−３秒）のオーダーで任意の単位の時間を示している。グラフ（１１０）は、送信光信号として使用される光ビームのパワーを示している。グラフ（１１０）の縦軸（１１４）は、送信信号のパワーを任意の単位で示している。トレース（１１６）は、パワーが時間０から始まる限られたパルス持続時間τの間オンであることを示している。グラフ（１２０）は、送信信号の周波数を示している。縦軸（１２４）は、任意の単位で送信される周波数を示している。トレース（１２６）は、パルスの持続時間τにわたってパルスの周波数がｆ１からｆ２まで増加し、したがって帯域幅Ｂ＝ｆ２−ｆ１を有することを示している。周波数変化率は、（ｆ２−ｆ１）／τである。
【００１８】
戻り信号は、グラフ（１２０）と同様に、時間を示す横軸（１１２）と周波数を示す縦軸（１２４）とを有するグラフ（１３０）に示される。グラフ（１２０）のチャープ（１２６）もまた、グラフ（１３０）上に破線としてプロットされている。第１の戻り信号は、まさに強度が減少し（図示せず）且つΔｔだけ遅延された送信参照信号であるトレース（１３６ａ）によって与えられる。Ｒをターゲットまでの距離として２Ｒの距離をカバーした後に戻り信号が外部物体から受信されると、遅延時間Δｔで開始する戻り信号は、ｃを媒体中の光速（秒速約３×１０８メートル、ｍ／ｓ）として２Ｒ／ｃによって与えられる。この間、周波数は、ｆＲと呼ばれ且つ周波数変化率に遅延時間を乗算して与えられる距離に応じた量だけ変化する。これは、式１ａによって与えられる。
【００１９】
【数１】
2019537012.tif 000003
ｆＲの値は、チャープ除去と呼ばれる時間領域混合動作における送信信号（１２６）と戻り信号（１３６ａ）との間の周波数差によって測定される。したがって、距離Ｒは、式１ｂによって与えられる。
【００２０】
【数２】
2019537012.tif 000004
もちろん、パルスが完全に送信された後に戻り信号が到着した場合、すなわち、２Ｒ／ｃがτよりも大きい場合、式１ａおよび１ｂは、有効ではない。この場合、参照信号は、戻り信号が参照信号と確実に重複するように、既知の量または固定量だけ遅延される。参照信号の固定のまたは既知の遅延時間は、式１ｂから計算された距離に追加される追加の距離を与えるために光速ｃによって乗算される。媒体内の光速の不確実性のために絶対距離がずれることがあるが、これは、ほぼ一定の誤差であり、周波数差に基づく相対距離は、依然として非常に正確である。
【００２１】
状況によっては、送信光ビームによって照射されたスポットは、半透明物体の前面および背面、または物体のＬＩＤＡＲからの距離が異なるより近い部分とより遠い部分、または照射されたスポット内の２つの別々の物体など、異なる距離で２つ以上の異なる散乱体に遭遇する。そのような状況では、グラフ（１３０）上にトレース（１３６ｂ）によって示される第２の強度の低下した異なる遅延信号もまた受信される。これは、式１ｂを使用して異なる距離を与えるｆＲの異なる測定値を有する。状況によっては、複数の戻り信号が受信される。
【００２２】
グラフ（１４０）は、第１の戻り信号（１３６ａ）と参照チャープ（１２６）との間の周波数差ｆＲを示している。横軸（１１２）は、図１Ａの他の全ての整列グラフと同様に時間を示し、縦軸（１３４）は、はるかに拡大したスケールでの周波数差を示している。トレース（１４６）は、送信チャープの間に測定された一定周波数ｆＲを示し、これは式１ｂによって与えられるような特定の距離を示す。第２の戻り信号（１３６ｂ）は、存在する場合、チャープ除去中に異なるより大きな値のｆＲ（図示せず）を生じさせ、その結果、式１ｂを使用してより広い距離を生み出す。
【００２３】
チャープ除去の一般的な方法は、参照光信号および戻り光信号の両方を同じ光検出器に向けることである。検出器の電気出力は、検出器上に収束する２つの信号の周波数の差に等しいか、あるいはそれに依存するビート周波数によって支配される。この電気出力信号のフーリエ変換は、ビート周波数にピークを生み出す。このビート周波数は、テラヘルツ（ＴＨｚ、１ＴＨｚ＝１０１２ヘルツ）の光周波数距離ではなく、メガヘルツ（ＭＨｚ、１ＭＨｚ＝１０６ヘルツ＝毎秒１０６サイクル）の無線周波数（ＲＦ）距離内にある。そのような信号は、マイクロプロセッサ上で実行される高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムまたは特別に構築されたＦＦＴもしくは他のデジタル信号処理（ＤＳＰ）集積回路などの一般的で安価なＲＦコンポーネントによって容易に処理される。他の実施形態では、戻り信号は、（局部発振器としてのチャープに対して）局部発振器として作用する連続波（ＣＷ）トーンと混合される。これは、それ自体がチャープ（または波形が送信されたものであればなんでも）である検出信号をもたらす。この場合、検出信号は、Ｋａｃｈｅｌｍｙｅｒ  １９９０年に記載されているように、デジタル領域で整合フィルタリングを受けることになる。不利な点は、デジタイザの帯域幅要件が一般に高いことである。コヒーレント検出のプラス面は、他の点では保持される。
【００２４】
図１Ｂは、実施形態にかかる、距離を示す、チャープ除去から生じるビート周波数の例示的な測定値を示すグラフである。横軸（１５２）は、メガヘルツの周波数を示し、縦軸は、送信パワー密度ＩＴに対する戻り信号パワー密度ＩＲをデシベル（ｄＢ、ｄＢ単位のパワー＝２０ｌｏｇ（ＩＲ／ＩＴ））で示している。トレース（１５６）は、ＦＦＴ回路によって生成されるような光検出器によって出力された電気信号のフーリエ変換であり、Ａｄａｎｙら、２００９年によって公表されたデータに基づいている。ピークの水平方向位置はｆＲを与え、式１ｂを使用して距離を推定するために使用される。さらに、ピークの他の特性が使用されて戻り信号を記述することができる。例えば、ピークでのパワー値は、トレース（１５６）の最大値、またはより一般的には、ピーク値（図１Ｂの約−３１ｄＢ）とピークの肩部のノイズフロア（図１Ｂの約−５０ｄＢ）との差１５７（図１Ｂの約１９ｄＢ）によって特徴付けられ、ピークの幅は、半値全幅（ＦＷＨＭ）における周波数幅（１５８）（図１Ｂの約０．０８ＭＨｚ）によって特徴付けられる。複数の識別可能な反射がある場合、おそらく複数の異なるパワーレベルおよび幅を有する光検出器の電気出力のＦＦＴにおける複数のピークが存在する。トレース内のピークを自動的に識別し、それらのピークを位置、高さおよび幅によって特徴付けるために任意の方法を使用することができる。例えば、いくつかの実施形態では、マサチューセッツ州ナティックのＭＡＴＨＷＯＲＫＳＴＭのＭＡＴＬＡＢＴＭから入手可能なＭＡＴＬＡＢ−信号処理ツールボックスによるＦＦＴＷまたはピーク検出が使用される。カリフォルニア州サンタクララのＮＶＩＤＩＡＴＭから入手可能なＣＵＤＡにおけるＦＦＴＷおよびＣＵＤＡＴＭにおけるカスタムピーク検出に依存するカスタム実装を使用することもできる。カスタム実装は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）上でプログラムされてきた。一般的に使用されているアルゴリズムは、距離プロファイルを閾値にして、いくつかの関数についてのピークの重心アルゴリズム、ピークフィッティングアルゴリズム（３点ガウシアンフィット）、または非線形フィット（ガウシアンなど）を実行してより正確にピークの位置を判定することである。
【００２５】
検出された物体（ソース）が速度ｖｓで移動しており且つＬＩＤＡＲシステム（観測者）が両者を結ぶベクトル上で速度ｖｏで移動している場合、戻り信号は、ドップラーシフトされることができ、検出されたビート周波数ｆＲもまたシフトされ、検出距離内で誤差をもたらす可能性がある。多くの状況において、検出されている物体の形状は、複数の反射の相対位置に基づいて識別される。したがって、物体の形状は、誤っていることがあり、物体を識別する能力が損なわれることがある。
【００２６】
観測された反射の周波数ｆ’は、ドップラー効果による反射の正しい周波数ｆとは異なり、式２ａによって近似される。
【００２７】
【数３】
2019537012.tif 000005
ここで、ｃは、媒体中の光速である。観測者およびソースが両者間のベクトル上で同じ方向に同じ速度で移動している場合、２つの周波数は同じであることに留意されたい。２つの周波数の差Δｆ＝ｆ’−ｆは、距離測定の誤差を構成するドップラーシフトＤであり、式２ｂによって与えられる。
【００２８】
【数４】
2019537012.tif 000006
誤差の大きさは、信号の周波数ｆとともに増加することに留意されたい。また、静止ＬＩＤＡＲシステム（ｖｏ＝０）の場合、１秒間に１０メートル移動するターゲット（ｖｏ＝１０）の場合、および周波数約５００ＴＨｚの可視光の場合、誤差の大きさは、図１Ｂにおいて約２２ＭＨｚであるｆＲの大きさの７５％である１６ＭＨｚのオーダーになり、７５％のｆＲの誤差、したがって７５％の距離の誤差をもたらすことにも留意されたい。様々な実施形態では、ドップラーシフト誤差が検出され、本明細書で説明されるように距離を補正するために使用される。
【００２９】
２．チャープ検出ハードウェアの概要
チャープ検出手法が実装される方法を示すために、いくつかの一般的且つ具体的なハードウェア手法が説明される。図２Ａおよび図２Ｂは、様々な実施形態にかかる、高解像度ＬＩＤＡＲシステムの例示的な構成要素を示すブロック図である。図２Ａにおいて、レーザー源（２１２）は、ＲＦ波形発生器（２１５）からの入力に基づいて変調器（２１４）において周波数変調された搬送波（２０１）を放射して、帯域幅Ｂおよび持続時間τを有するパルスを生成する。いくつかの実施形態では、ＲＦ波形発生器（２１５）は、処理システム（２５０）からのコマンドによってソフトウェア制御される。スプリッタ（２１６）は、変調された光波形を、ビーム（２０３）のエネルギーの大部分を有する送信信号（２０５）と、それにもかかわらずターゲット（図示せず）から散乱した戻り光（２９１）との良好なヘテロダインまたはホモダイン干渉を生じるのに十分であるはるかに少量のエネルギーを有する参照信号（２０７）とに分割する。いくつかの実施形態では、走査光学系（２１８）を使用してその経路内の任意の物体をプロファイルするために、送信ビームが複数の角度にわたって走査される。
【００３０】
参照ビームは、散乱光とともに検出器アレイ（２３０）に到達するのに十分に参照経路（２２０）内で遅延される。いくつかの実施形態では、スプリッタ（２１６）は、変調器（２１４）の上流にあり、参照ビーム（２０７）は、変調されていない。いくつかの実施形態では、参照信号は、新たなレーザ（図示せず）を使用して独立に生成され、参照経路（２２０）内の別個の変調器（図示せず）および発生器（２１５）からのＲＦ波形を使用して別々に変調される。いくつかの実施形態では、図２Ｂを参照して以下に説明されるように、異なる変調器が使用される。しかしながら、コヒーレンスを保証するために、送信信号および参照信号の両方について１つのレーザー源（２１２）のみが使用される。様々な実施形態では、より柔軟でないアプローチからより柔軟なアプローチまで、１）経路長がよく一致するように検出器アレイにおいて送信ビームの一部を反射し返すようにシーン内にミラーを置くことによって、２）経路長を厳密に一致させるためにファイバ遅延を使用し、図２Ａに示唆されるように、特定の距離について観測されるかもしくは予想される位相差を補償するための経路長調整を伴ってもしくは伴わずに、参照ビームを検出器アレイ付近の光学素子によって広げることによって、もしくは３）周波数シフト装置（音響光学変調器）または局部発振器波形変調の時間遅延を使用して、経路長の不一致を補償するための別個の変調を生成することによって、またはいくつかの組み合わせによって、参照が散乱もしくは反射されたフィールドとともに到達する。いくつかの実施形態では、反射が遅延なしに参照信号と十分に重複するのに十分なほど、ターゲットが近くパルス持続時間が長い。いくつかの実施形態では、参照信号（２０７ｂ）は、１つ以上の光ミキサ（２３２）において戻り信号（２９１）と光学的に混合される。
【００３１】
様々な実施形態では、ターゲットの複数の部分は、各走査ビームについてそれぞれの戻り光（２９１）信号を検出器アレイ（２３０）に散乱し返し、複数のビームおよび複数の反射によって照射されたターゲットの複数の部分それぞれの複数の距離に基づく点群を生成する。検出器アレイは、ターゲットからの戻りビーム（２９１）に対してほぼ垂直な平面内に配置された単一のまたは平衡対の光検出器、あるいはそのような光学検出器の１Ｄまたは２Ｄアレイである。界面パターンの位相または振幅、あるいはいくつかの組み合わせは、パルス持続時間τの間に複数回、各検出器について取得システム（２４０）によって記録される。パルス持続時間あたりの時間サンプル数は、ダウンレンジの広がりに影響する。この数は、大抵の場合、パルス繰り返し率と利用可能なカメラのフレームレートに基づいて選択される実際的な考慮事項である。フレームレートは、「デジタイザ周波数」と呼ばれることが多いサンプリング帯域幅である。基本的に、Ｙレンジの幅の分解能ビンを有するパルス中にＸ個の検出器アレイフレームが収集される場合、Ｘ＊Ｙレンジの広がりが観測されることができる。取得されたデータは、図８を参照して以下に説明されるコンピュータシステム、または図９を参照して以下に説明されるチップセットなどの処理システム（２５０）に利用可能にされる。いくつかの実施形態では、取得されたデータは、ターゲットのそれぞれの複数の部分の複数の距離に基づく点群である。
【００３２】
ドップラー補償モジュール（２７０）は、ドップラーシフトの大きさおよびそれに基づいて補正された距離を判定する。いくつかの実施形態では、ドップラー補償モジュール（２７０）は、ＲＦ波形発生器（２１５）を制御する。
【００３３】
図２Ｂは、ＬＯ信号を生成する参照経路にソフトウェア制御遅延を導入することを可能にする代替のハードウェア構成を示している。レーザー源（２１２）、スプリッタ（２１６）、送信信号（２０５）、走査光学系（２１８）、光ミキサ（２３２）、検出器アレイ（２３０）、取得システム（２４０）および処理システム（２５０）は、図２Ａを参照して上述したとおりである。図２Ｂでは、発生器（２１５）からのＲＦ波形を光搬送波に印加するために、送信経路に（２１４ａ）および参照経路に（２１４ｂ）の２つの別々の光変調器がある。スプリッタ（２１６）は、レーザー源（２１２）と変調器（２１４ａ）および（２１４ｂ）との間で移動され、変調器（２１４ａ）に当たる光信号（２８３）と、修正された参照経路（２８２）において変調器（２１４ｂ）に当たる低振幅参照経路信号（２８７ａ）とを生成する。この実施形態では、光２０１は、変調が生じる前に送信（ＴＸ）経路ビーム（２８３）と参照／局部発振器（ＬＯ）経路ビーム（２８７ａ）とに分割され、各経路において別々の変調器が使用される。二重変調器アプローチにより、どちらの経路もオフセット開始周波数および／またはオフセット開始時間でチャープによってプログラムされることができる。システム（２８０）がチャープドップラー補償のために距離遅延効果を獲得することを可能にするために、これを使用することができる。各レンジゲートで使用される遅延をシフトすることによって、システムは、他のシステム制限（検出器およびデジタイザの帯域幅、測定時間など）にもかかわらず、高分解能で明確に測定することができる。したがって、いくつかの実施形態では、修正ドップラー補償モジュール（２７８）は、ＲＦ波形発生器（２１５）を制御して、後述するドップラー補償モジュールによって生成された各ドップラーシフトに適切な遅延時間を課す。そして、ソフトウェア制御遅延参照信号（２８７ｂ）は、上述したように戻り信号（２９１）と混合される。他の実施形態では、ＬＯ参照経路（２８２）のソフトウェア制御遅延は、適応走査アプローチがダウンレンジ次元においても適応的であることを可能にする。
【００３４】
例えば、いくつかの実施形態では、使用されるレーザーは、レーザーを駆動する電流に適用される変調を用いて能動的に線形化された。変調を提供する電気光学変調器を用いて実験も行われた。システムは、様々な実施形態について以下でより詳細に説明されるように、所望のダウンレンジ分解能に適した帯域幅Ｂおよび持続時間τのチャープを生成するように構成される。例えば、いくつかの例示された実施形態では、約９０ＧＨｚのＢおよび約２００ミリ秒（ｍｓ、１ｍｓ＝１０−３秒）のτの値は、行われた実験における比較的低い検出器アレイフレームレートの距離内で機能するように選択された。これらの選択は、約３０ｃｍのかなり広い距離のウィンドウを観測するためになされ、これは物体の形状を決定し且つその物体を識別する際にしばしば重要である。この技術は、１０ＭＨｚから５ＴＨｚのチャープ帯域幅で機能する。しかしながら、３Ｄイメージング用途では、典型的な距離は、約３００ＭＨｚから約２０ＧＨｚのチャープ帯域幅、約２５０ナノ秒（ｎｓ、ｎｓ＝１０−９秒）から約１ミリ秒（ｍｓ、１ｍｓ＝１０−３秒）のチャープ持続時間、約０メートルから約２０ｋｍのターゲットまでの距離、約３ミリメートル（ｍｍ、１ｍｍ＝１０−３メートル）から約１メートル（ｍ）のターゲットのスポットサイズ、約７．５ｍｍから約０．５ｍのターゲットの深度分解能である。距離ウィンドウは、これらの条件下で数キロメートルまで広げることができ、ドップラー分解能もまた、（チャープの持続時間に応じて）非常に高くなり得ることに留意されたい。プロセス、機器、およびデータ構造は、説明のために特定の構成における一体ブロックとして図２に描かれているが、他の実施形態では、１つ以上のプロセスもしくはデータ構造、またはその一部は、１つ以上のデータベース内の同じもしくは異なるホストに異なる方法で配置されるか、または省略され、あるいは１つ以上の異なるプロセスもしくはデータ構造は、同じもしくは異なるホストに含まれる。例えば、スプリッタ（２１６）および参照経路（２２０）は、ゼロ個以上の光カプラを含む。
【００３５】
図３Ａは、実施形態にかかる、ヘテロダインチャープＬＩＤＡＲシステム（３００ａ）の例示的な構成要素を示すブロック図である。米国特許第７，７４２，１５２号明細書に記載されているものから変更されたこのシステム（３００ａ）は、電子式チャープ除去を使用する。物体（３９０）は、システム（３００ａ）の動作を説明するために描かれているが、物体（３９０）は、システム（３００ａ）の一部ではない。システム（３００ａ）は、レーザー（３０１）、変調器（３１０）、走査型光カプラ（３２０）としての望遠鏡、平衡型光検出器（３３０）、処理回路（３４０）、帯域幅Ｂおよび持続時間τのＦＭチャープを生成する波形発生器（３５０）、パワースプリッタ（３５１）、チャープ除去ミキサ（３６０）、および音響光学変調器（３７０）を含む。このシステムでは、光源レーザ（３０１）の出射ビームは、ビームスプリッタ（３０２）によって２つの部分に分割され、一方の部分は、パワースプリッタ（３５１）および演算増幅器（３５２ａ）からのＦＭチャープに基づいて変調器（３１０）によって変調され、望遠鏡に供給されるビーム（３０５）を生成する。
【００３６】
ビームの他の部分であるビーム（３０７ａ）は、コヒーレント検出用の局部発振器（ＬＯ）を生成するために使用される。音響スピーカは、音響光学変調器（ＡＯＭ）（３７０）を駆動し、ヘテロダイン検出のための中間周波数（ＩＦ）として機能する、ビーム（３０７ｂ）における光周波数をｆｍだけシフトさせる周波数ｆｍを有する音響信号を生成する。光カプラ（３２２）は、ビーム（３０７ｂ）を平衡型光検出器（３３０）の１つに向ける。
【００３７】
戻り光信号（３９１）もまた、光カプラ（３２２）によって平衡型光検出器の他の部分に向けられる。平衡型フォトダイオード（３３０）は、直接検出成分を排除する。出力電気信号は、演算増幅器（３４４ａ）において増幅され、ＩＦ信号は、バンドパスフィルタ（３４１）によって選択され、ベースバンド波形を回復するショットキーダイオード（３４２）によって検出される。得られた電気信号は、ローパスフィルタ（３４３）および演算増幅器（３４４ｂ）を介して導かれる。
【００３８】
チャープ除去ミキサは、この検出信号をパワースプリッタ（３５１）および演算増幅器（３５２ｂ）によって出力された元のチャープ波形と比較して、ＲＦ参照波形と検出波形との間の周波数差に依存するビート周波数を有する電気信号を生成する。他の演算増幅器（３４４ｃ）およびＦＦＴプロセス（３４５）は、ビート周波数を見つけるために使用される。プロセッサ（３４６）は、データ分析を行うようにプログラムされている。（３００ａ）のようなコヒーレント検出システムは、パルス移動時間の直接検出と比較して受信機の信号対雑音比（ＳＮＲ）を著しく改善するが、システムの複雑さを大幅に増大するという犠牲を払っている。演算増幅器（３４４ａ）およびチャープ除去ミキサ（３６０）からプロセッサ（３４６）までの電気部品は、信号処理部品（３４０）を構成する。
【００３９】
図示の実施形態によれば、光カプラ（３２０）から放射された光ビームは、１つ以上の物体の照射部分（３９２）を照射する有限のビームサイズで１つ以上の物体（３９０）に当たる。照射された部分からの後方散乱光は、望遠鏡を通って戻り、光カプラ（３２２）によって平衡型光検出器（３３０）の１つのフォトダイオードなどの光検出器上に導かれる。１つ以上の物体は、照射部分の異なる部分からの反射によって異なり得る物体速度成分（３９４）によってシステム（３００ａ）に対して移動している。この動きに基づいて、システム（３００ａ）によって検出された信号の周波数は、距離のみに基づいた周波数とは異なる。プロセッサ（３４６）は、後述するように、ドップラー効果を検出し、そしてドップラー効果について結果として生じる距離を補正するためのドップラー補償モジュール（３８０）を含む。
【００４０】
図３Ｂは、実施形態にかかる、ホモダインチャープＬＩＤＡＲシステム（３００ｂ）の例示的な構成要素を示すブロック図である。米国特許第７，７４２，１５２号明細書に記載されているものから変更されたこのシステム（３００ｂ）は、フォトニックチャープ除去を使用し、ＲＦ成分を単純化する。物体（３９０）は、システム（３００ｂ）の動作を説明するために描かれているが、物体（３９０）は、システム（３００ｂ）の一部ではない。システム（３００ｂ）は、波形発生器（３５０）、レーザー（３０１）、変調器（３１０）、変調器（３１０）の下流にあるスプリッタ（３０２）、走査光カプラ（３２０）として使用される望遠鏡、平衡型光検出器（３３０）、および処理回路（３６０）を含む。
【００４１】
このシステムでは、光信号と局部発振器ＬＯの両方が同じ波形発生器（３５０）によって駆動され、演算増幅器（３５２）において増幅される。変調器（３１０）によって出射されたビームは、ビームスプリッタ（３０２）によってビーム部分（３０５）とビーム部分（３０７ｃ）とに分割される。例えば９０％以上の大部分のビームエネルギーを有するビーム部分（３０５）は、上述したように、速度成分（３９４）によって移動している物体（３９０）の照射部分（３９２）を照射するために光カプラ（３２０）を透過する。ビーム部分（３０７ｃ）は、遅延（３０８）において所望の量だけ遅延されて参照信号（３０７ｄ）を生成する。いくつかの実施形態では、遅延はなく、遅延（３０８）は省略される。望遠鏡または他の光カプラ（３２０）からの参照信号（３０７ｄ）および戻り信号（３０９）は、光カプラ（３２２）によって光検出器（３３０）に向けられる。以下により詳細に説明されるいくつかの実施形態では、周波数シフタ（３１８）は、カプラ（３２０）を介して送信される前に送信信号（３０５）の光路に追加される。後述する他の実施形態では、周波数シフタ（３１８）は、カプラ（３２０）を通過した後に戻り信号（３０９）の光路内に配置される。
【００４２】
チャープ除去プロセスは、平衡型フォトダイオード（３３０）内で達成され、したがって、チャープ除去混合および関連するＲＦ処理の必要性を排除する。ＬＯによって搬送される元のチャープ光波形は、示されるようにフォトダイオードにおいてその遅延されたバージョンで拍動することから、ターゲット距離は、演算増幅器（３４４）によって出力される光電流信号のＦＦＴ成分（３４５）における周波数分析によって直接得ることができる。プロセッサ（３６２）は、データ分析を行うようにプログラムされている。プロセッサ（３６２）は、後述するように、ドップラー効果を検出し、そしてドップラー効果について結果として生じる距離を補正するためのドップラー補償モジュール（３８０）を含む。演算増幅器（３４４）からプロセッサ（３６２）までの電気部品は、信号処理部品（３６０）を構成する。ショットノイズがコヒーレント検出の支配的なノイズであることを考慮すると、ビート周波数におけるＳＮＲは、直接検出のＳＮＲおよびシステム（３００ａ）のＳＮＲと比較して減少する。
【００４３】
３．ドップラー効果検出の概要
図４Ａは、実施形態にかかる、物体が移動しているときのアップチャープＬＩＤＡＲシステムからいくつかの物体までのビート周波数ピークに基づく距離を示す例示的なグラフ（４１０）を示すブロック図である。横軸（４１２）は、ビート周波数に基づく任意の単位で距離を示し、縦軸（４１４）は、相対単位でピークパワーを示している。チャープは、アップチャープ（後で周波数が高くなる）であることから、周波数の増加は、移動時間の増加、したがって距離の増加に変換される。ビート周波数は、ピークの相対パワーを示す高さを有するビート周波数に関連する距離に位置する矢印としてプロットされる。３つの観測されたピーク（４１４ａ、４１４ｂ、および４１４ｃ）は、各距離において実線の矢印によって示されている。誤差による最後のピーク（４１４ｃ）は、以下でさらに詳細に説明される。
【００４４】
第１の観測されたピーク（４１４ａ）は、ブルーシフトと呼ばれる、より高い周波数へのシフトを導入するのに十分な速度でＬＩＤＡＲシステムに向かって移動する第１の散乱体に起因する。ブルーシフトの距離効果（４１５）が示されている。図１Ａのグラフ（１２０）に示すように、チャープは、アップチャープであるため、周波数の増加は、増加した距離に関連し、実際の位置（４１３ａ）は、推論された距離の左側にある。物体は、実際には、ドップラー効果がなければ距離（４１３ａ）にあるであろう距離にある。しかしながら、ブルーシフト距離効果（４１５）も実際の距離（４１３ａ）も、ＬＩＤＡＲシステムデータ処理コンポーネントにとっては知られていない。
【００４５】
対照的に、第２の観測ピーク（４１４ｂ）は、レッドシフトと呼ばれる、より低い周波数へのシフトを導入するのに十分な速度でＬＩＤＡＲシステムから遠ざかる第２の散乱体に起因する。レッドシフトの距離効果（４１６）が示されている。チャープは、アップチャープであるため、周波数の減少は、減少した距離に関連し、実際の位置（４１３ｂ）は、推論された距離の右側にある。物体は、実際には、ドップラー効果がなければ距離（４１３ｂ）にあるであろう距離にある。しかしながら、レッドシフト距離効果（４１６）も実際の距離（４１３ｂ）も、ＬＩＤＡＲシステムデータ処理コンポーネントにとっては知られていない。
【００４６】
距離に対するドップラー効果の大きさを判定するための１つのアプローチは、アップチャープを用いて一度、そして再びダウンチャープを用いて距離を判定することであり、ここで送信光信号は、時間とともに周波数が減少する。ダウンチャープ送信信号により、後の到着信号は、より高い周波数ではなくより低い周波数を有し、それぞれのレッドシフト、またはブルーシフトは、アップチャープ送信信号の場合とは逆の効果を距離に与える。２つの反対の影響を受ける距離は、例えば平均化によって組み合わせることができ、ドップラー効果を低減または排除した距離を判定することができる。２つの距離間の差は、ドップラー効果の大きさを示すことができる（例えば、距離効果は、２つの距離内の差の半分であると判定されることができる）。
【００４７】
図４Ｂは、実施形態にかかる、物体が移動しているときのダウンチャープＬＩＤＡＲシステムからいくつかの物体までのビート周波数ピークに基づく距離を示す例示的なグラフ（４２０）を示すブロック図である。横軸（４１２）および縦軸（４１４）は、上述したとおりである。チャープは、ダウンチャープ（後で周波数が低くなる）であることから、周波数の減少は、移動時間の増加、したがって距離の増加に変換される。２つの観測されたピーク（４２４ａおよび４２４ｂ）のみが、各距離において実線の矢印によって示されている。
【００４８】
上述したように、第１の観測されたピーク（４１４ａ）は、ブルーシフトと呼ばれる、より高い周波数へのシフトを導入するのに十分な速度でＬＩＤＡＲシステムに向かって移動する第１の散乱体に起因する。ブルーシフトの距離効果（４２５）は、アップチャープの場合とは異なり、距離効果は、反対方向に行く。チャープは、ダウンチャープであるため、周波数の増加は、減少した距離に関連し、グラフ（４１０）と同じ距離である実際の位置（４１３ａ）は、推論された距離の右側にある。また上述したように、第２の観測ピーク（４２４ｂ）は、レッドシフトと呼ばれる、より低い周波数へのシフトを導入するのに十分な速度でＬＩＤＡＲシステムから遠ざかる第２の散乱体に起因する。レッドシフトの距離効果（４２６）は、より長い距離に向かっている。物体は、実際には、推論された距離よりも左側の距離（４１３ｂ）にある。
【００４９】
上述したように、２つの反対の影響を受ける距離は、例えば平均化によって組み合わせることができ、ドップラー効果を低減または排除した距離を判定することができる。理解できるように、平均などの距離（４１４ａ）と（４２４ａ）の組み合わせは、実際の距離（４１３ａ）に非常に近い値を与えるであろう。同様に、平均などの距離（４１４ｂ）と（４２４ｂ）の組み合わせは、実際の距離（４１３ｂ）に非常に近い値を与えるであろう。物体Ａについての距離効果（４１５）の大きさ（物体Ａについての距離効果（４２５）の大きさに等しい）は、２つの距離の差の半分、例えば、１／２＊（（４１４ａ）の距離−（４２５ａ）の距離）であると判定されることができる。同様に、物体Ｂについての距離効果（４１６）の大きさ（物体Ｂについての距離効果（４２６）の大きさに等しい）は、２つの距離の差の半分、例えば、１／２＊（（４２４ｂ）の距離−（４１４ｂ）の距離）であると判定されることができる。いくつかの実施形態では、アップチャープ／ダウンチャープの反射は、検出されたアップチャープ／ダウンチャープピークに対する距離の広がりを組み込むように組み合わされる。基本的に、アップチャープ／ダウンチャープの反射において検出されたピークの分布は、ドップラー推定値の分散を減少させるために努力して組み合わせられる（多くの異なる統計的選択肢）。
【００５０】
この補正は、アップチャープの反射のピークをダウンチャープの反射の対応するピークと対にできるかどうかに依存する。状況によっては、これは明らかである。しかしながら、本発明者らは、ピーク（４１４ｃ）などの偽ピークのために、どのピークを対にするか、例えば図４Ａの３つのピークのうちのどれを図４Ｂの２つのピークのそれぞれと対にするかを自動的に判定する方法は必ずしも明らかではないことに留意した。さらに、視野内のクラッタまたは他のノイズ要因による偽ピークの数、および移動物体および移動ＬＩＤＡＲシステムに関連する距離の変化は、アップチャープおよびダウンチャープ送信パルスが時間的に分離されているときにピークのペアリングが困難になることを意味する。
【００５１】
図５Ａは、実施形態にかかる、ＬＩＤＡＲシステムについての例示的なシリアル（シーケンシャルとも呼ばれる）アップおよびダウンチャープ送信光信号を示すグラフである。横軸（５１２）は、時間を任意の単位で示し、縦軸（５１４）は、光送信信号または参照信号の周波数を任意の単位で示している。持続時間（５１５ａ）の第１のパルスは、アップチャープであり、持続時間（５１５ｂ）の第２のパルスは、ダウンチャープである。アップチャープおよびダウンチャープから得られた距離の対は、距離およびドップラー効果のより良い推定値を判定するために組み合わせることができる。図２、図３Ａまたは図３ＢにおけるＬＩＤＡＲシステムのいずれも、そのようなシーケンシャルなアップおよびダウンチャープで動作することができる。それぞれが特定の用途で関心のある距離値にわたる限り、帯域幅またはパルス持続時間、あるいはその両方が、アップチャープパルスおよびダウンチャープパルスの両方について同じであるという要件はない。
【００５２】
上記示したように、シーケンシャルな距離測定値がうまくペアリングされて平均化されることができる場合、ターゲットの距離およびドップラーは、シーケンシャルな測定値の距離を平均化することによって正しく推論されることができる。しかしながら、シーケンシャルなアップ／ダウンアプローチは、測定間でドップラーシフトが変化するとき、または平行移動ビーム（例えば、ＬＩＤＡＲスキャナ）が測定される物体の変化または同じ物体に対する実際の距離の変化、またはいくつかの組み合わせをもたらす可能性がある新しい位置に移動するときに誤差をもたらす。以下により詳細に説明されるように、コスト関数は、アップおよびダウンチャープからの距離の望ましいペアリングを判定するためにその後に使用されるコスト行列を生成するために使用される。
【００５３】
いくつかの実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムは、アップチャープおよびダウンチャープを同時に生成するように変更される。このアプローチは、とりわけ、物体の速度差、または実際に距離を変更する物体に対するＬＩＤＡＲ位置の変更、またはビーム内の一時的な散乱体、あるいはいくつかの組み合わせによってもたらされる変動性を排除する。そして、このアプローチは、アップチャープおよびダウンチャープにおいて測定されたドップラーシフトおよび距離が実際に同一であり且つ最も有用に組み合わせることができることを保証する。ドップラースキームは、正しい補償の高い確率のために、周波数空間において非対称にシフトされた戻り対の並列捕捉を保証する。
【００５４】
図５Ｂは、実施形態にかかる、ＬＩＤＡＲシステムについての例示的な同時アップおよびダウンチャープ送信光信号を示すグラフである。横軸は、任意の単位で時間を示し、必ずしも図５Ａの場合と同じ軸の距離ではない。例えば、いくつかの実施形態では、軸（５２４）の全時間距離は、軸（５１２）の全時間距離の半分である。縦軸（５２２）は、光送信信号または参照信号の周波数を任意の単位で示している。持続時間（２５２ａ）のパルスの間、いつでも２つの光周波数を含む光ビームが生成される。一方の周波数は、例えばｆ１からｆ２に増加し、他方の周波数は、同時にｆ４からｆ３に減少する。２つの周波数帯域、例えばｆ１からｆ２までの帯域１、およびｆ３からｆ４までの帯域２は、送信信号および戻り信号の両方がハイパスフィルタもしくはローパスフィルタ、またはいくつかの組み合わせによって光学的に分離され、通過周波数ｆｐで開始する帯域を通過することができるように重複しない。例えば、ｆ１＜ｆ２＜ｆｐ＜ｆ３＜ｆ４である。図示の実施形態では、より高い周波数は、ダウンチャープを提供し、より低い周波数は、アップチャープを提供するが、他の実施形態では、より高い周波数は、アップチャープを生成し、より低い周波数は、ダウンチャープを生成する。
【００５５】
いくつかの実施形態では、２つの異なるレーザー源が使用されて各ビームに２つの異なる光周波数を毎回生成する。しかしながら、いくつかの実施形態では、単一の光搬送波が単一のＲＦチャープによって変調され、同時アップおよびダウンチャープとして機能する対称側波帯を生成する。これらの実施形態のいくつかでは、一般に、搬送波周波数に多くのエネルギーを残さず、代わりにほとんど全てのエネルギーが側波帯に入る両側波帯マッハツェンダ変調器が使用される。
【００５６】
図５Ｃは、実施形態にかかる、ＬＩＤＡＲシステムについての同時アップおよびダウンチャープ送信光信号を生成するために変調器によって生成される例示的な一次側波帯を示すグラフである。横軸（５３２）は、信号の周波数を示し、縦軸（５３４）は、信号のパワーを示している。光搬送波ｆ０が周波数ｆのＲＦ信号によって変調されるとき、２つの光側波帯がＲＦ周波数の各倍数に対して生成される。一次側波帯は、矢印（５３６ａおよび５３６ｂ）によって示される、光搬送波周波数ｆ０の上下のＲＦ周波数ｆにある。二次側波帯は、光搬送波ｆ０などの上下２ｆに生じる。各高次側波帯は、前の低次側波帯と比較してパワーが低減されている。
【００５７】
ｆｂからｆａ＜ｆｂまで変化するＲＦダウンチャープを使用して光チャープを生成するとき、帯域幅Ｂ＝（ｆｂ−ｆａ）である。上側波帯は、周波数（５３６ａ）上の左向き矢印によって示されるように、ｆ０＋ｆａ＋Ｂ＝ｆ０＋ｆｂからｆ０＋ｆａまで変化し、帯域（５３８ａ）内の信号を生成する。下側波帯は、周波数（５３６ｂ）上の右向き矢印によって示されるように、同時にｆ０−ｆａ−Ｂ＝ｆ０−ｆｂからｆ０−ｆａまで変化し、帯域（５３８ｂ）内の信号を生成する。他の実施形態では、ＲＦダウンチャープは、光搬送波を変調するために使用され、周波数（５３６ａおよび５３６ｂ）は、それぞれ反対方向に、例えば帯域（５３８ａ）内で左から右および帯域（５３８ｂ）内で右から左へと帯域（５３８ａ）および（５３８ｂ）を通って移動する。アップチャープおよびダウンチャープからの反射は、異なる実施形態では異なる方法を使用して区別される。いくつかの好ましい実施形態では、以下に説明するように、上側および下側波帯の対称性を取り除くために周波数シフトを加えることによって分離が行われる。側波帯が光学的にフィルタリングされるのに十分に広く分離される他の実施形態では、それぞれからの信号は分割される。参照および戻りのそれぞれからの１つの信号は、ｆｐｌで始まるローパスフィルタを通過して、搬送波ｆ０および高帯域（５３８ａ）をフィルタリングして低周波数帯域（５３８ｂ）を得る。同様に、参照および戻りのそれぞれからの１つの信号は、ｆｐｈで始まるハイパスフィルタを通過して、搬送波ｆ０および低帯域（５３８ｂ）をフィルタリングして高周波数帯域（５３８ａ）を得る。２つの帯域は、上述したように処理されてアップチャープ距離およびダウンチャープ距離を生成する。アップチャープおよびダウンチャープからの距離を対にした後、ドップラー効果および補正距離が判定される。
【００５８】
側波帯対称の結果として、同じ次数の側波帯が使用される場合、２つの光チャープの帯域幅は同じになる。他の実施形態では、他の側波帯が使用され、例えば、２つの二次側波帯が使用されるか、または一次側波帯と重複しない二次側波帯が使用されるか、またはいくつかの他の組み合わせが使用される。
【００５９】
図３Ｂはまた、実施形態にかかる同時アップおよびダウンチャープＬＩＤＡＲシステムについての例示的な構成要素を示している。この実施形態では、周波数シフタ（３１８）が送信ビーム（３０５）の光路に追加される。他の実施形態では、周波数シフタは、代わりに戻りビーム（３０９）の光路または参照光路に追加される。一般に、周波数シフト素子は、素子（ＡＯＭ）は、関連するいくらかの損失があり、受信側または光増幅器の後段の損失部品を置くのに不利であるため、局部発振器（ＬＯ、参照経路とも呼ばれる）側または（光増幅器の前の）送信側に追加される。光シフタ（３１８）の目的は、光検出器によって出力された電気信号の分析において、例えばＦＦＴコンポーネント（３４５）によってピックアップされることができるアップチャープおよびダウンチャープのビート周波数が異なる周波数帯域で発生するように、参照信号の周波数に対して送信信号（または戻り信号）の周波数を既知の量Δｆｓだけシフトすることである。例えば、図４Ａおよび図４Ｂのブルーシフトを引き起こす距離効果（４１５および４２５）がそれぞれｆＢである場合、アップチャープのビート周波数は、オフセット分だけ増加し、ｆＢ＋Δｆｓにおいて生じ、ダウンチャープのビート周波数は、オフセット分だけ減少し、ｆＢ−Δｆｓとなる。したがって、アップチャープは、ダウンチャープよりも高い周波数帯域にあり、それによってそれらを分離する。Δｆｓがいかなる予想されるドップラー効果よりも大きい場合、アップチャープおよびダウンチャープに関連する距離内に不明瞭さはない。そして、測定されたビートは、既知のΔｆｓの正しく符号化された値によって補正されて、適切なアップチャープおよびダウンチャープの距離を得ることができる。いくつかの実施形態では、平衡型検出器から出てくるＲＦ信号は、ＦＦＴを介して分離されている帯域によって直接デジタル化される。いくつかの実施形態では、平衡型検出器から出てくるＲＦ信号は、直接デジタル化されることができる（アップチャープまたはダウンチャープの一方に対応する）低帯域とベースバンドに電子的にダウンミックスされてからデジタル化されることができる（反対側のチャープに対応する）高帯域とを分離するために、アナログＲＦ電子機器によって前処理される。両方の実施形態は、検出された信号の帯域を利用可能なデジタイザリソースに一致させる経路を提供する。
【００６０】
送信（ＴＸ）および局部発振器（ＬＯ）のチャープ波形を選択するとき、システムの周波数シフトされた帯域が利用可能なデジタイザ帯域幅を最大限に利用することを保証することが有利である。一般に、これは、アップチャープまたはダウンチャープのいずれかをシフトして、ゼロに近いレンジ周波数ビートを有することによって達成される。
【００６１】
例えば、他の実施形態では、送信（ＴＸ）信号および参照（ＬＯ）信号は、搬送波周波数上の２つの異なる変調器上の上側波帯および下側波帯を使用して独立に生成される。図５Ｄは、他の実施形態にかかる、光搬送波に対するＬＩＤＡＲシステムについての例示的な同時アップおよびダウンチャープ送信光信号および参照信号（ＬＯ）を示すグラフである。横軸は、相対単位の時間であり、縦軸は、ｆ０＝０としてプロットされた光搬送波ｆ０に対する周波数である。参照信号（ＬＯ）は、側波帯対称性のために、オフセット周波数ｆｏだけ送信信号（ＴＸ）からオフセットされ、上記例とは異なり、ダウンチャープと比較してアップチャープ上で反対側にある。図示の実施形態では、ＬＯ信号周波数は、アップチャープについての同時ＴＸ信号周波数よりも低く、ＬＯ信号周波数は、ダウンチャープについての同時ＴＸ信号周波数よりも高い。したがって、ＴＸアップチャープ波形は、帯域幅Ｂにわたってｆからｆ＋Ｂまでチャープし、ＬＯアップチャープ波形は、ｆ−ｆｏからｆ−ｆｏ＋Ｂにチャープする。ダウンチャープは、０としてプロットされた光搬送波周波数を中心に反射される。
【００６２】
この場合、アップチャープビート周波数をゼロに近付けるためには、アップチャープが送信と整列するようにシフト周波数Δｆｓ＝ｆｏを選択することは理にかなっている。ダウンチャープは、２＊ｆｏによって分離される。図５Ｅは、他の実施形態にかかる、光搬送波に対するＬＩＤＡＲシステムについての例示的なシフトされた同時アップおよびダウンチャープ送信光信号および参照信号（ＬＯ）を示すグラフである。横軸は、相対単位の時間であり、縦軸は、ｆ０＝０としてプロットされた光搬送波ｆ０に対する周波数である。全体的に、これは、０から２＊ｆｏまでのｆＲについてのアップチャープビート周波数帯域と、２＊ｆｏからシステムカットオフ周波数（おそらくデジタイザ制限）までのｆＲについての重複しないダウンチャープビート周波数帯域を生じさせる。ダウンチャープビート周波数が大きすぎる場合、大きなビート周波数帯域についてのダウンミックス段は、ベースバンドでデジタル化されることができるように大きなビート周波数帯域を２＊ｆｏだけミックスダウンする。
【００６３】
当該技術分野で知られている任意の周波数シフタ（３１８）を使用することができる。例えば、いくつかの実施形態では、音響光学変調器（ＡＯＭ）が使用され、他の実施形態では、セラジンベースの位相シフトが位相変調器とともに使用される。
【００６４】
図６は、他の実施形態にかかる、同時アップおよびダウンチャープＬＩＤＡＲシステム（６００）についての例示的な構成要素を示すブロック図である。物体（３９０）は、システム（６００）の動作を説明するために描かれているが、物体（３９０）は、システム（６００）の一部ではない。システム（６００）は、以下により詳細に説明されるように、第２の検出器を追加し、同時第２のチャープ参照信号および戻り信号のための処理を追加することによって、図３Ｂのシステム（３００ｂ）から変更される。いくつかの実施形態では、システム（６００）は、第２の同時チャープ信号を生成するために第２のレーザー（６０１）、第２の波形発生器（６５０）、演算増幅器（６５２）および変調器（６１０）も追加することによって図３Ｂのシステム（３００ｂ）から変更される。しかしながら、複数の側波帯を有する単一の変調器が使用されて同時アップおよびダウンチャープを生成するいくつかの実施形態では、第２のレーザーおよび構成要素は省略される。
【００６５】
例えば、いくつかの実施形態では、レーザ（６０１）は、周波数ｆ０において光搬送波を生成し、波形発生器（６５０）は、変調器（６１０）を駆動して図５Ｃに示される光搬送波周波数ｆ０ならびに光側波帯（５３８ａおよび５３８ｂ）を生成するように、演算増幅器（６５２）によって増強されたパワーによってｆａ＜ｆｂの場合にｆｂからｆａまでのＲＦダウンチャープを生成する。これは、図５Ｂに示される同時アップおよびダウンチャープを提供し、ここで、ｆ１＝（ｆ０−ｆｂ）、ｆ２＝（ｆ０−ｆａ）、ｆ３＝（ｆ０＋ｆａ）、およびｆ４＝（ｆ０＋ｆｂ）であり、アップおよびダウンチャープは、対称的である。これらの実施形態では、レーザー（３０１）、波形発生器（３５０）、演算増幅器（３５２）および変調器（３１０）は省略される。
【００６６】
いずれのタイプの実施形態においても、ビームスプリッタ（６０２）に入射する光信号は、同時アップチャープおよびダウンチャープを含む。このビームは、同一の波形であるが異なるパワーの２つのビームに分割され、大部分のパワー、例えば９０％以上がビーム（６０５）として走査光カプラ（３２０）を通過して物体（３９０）に当たる。残りのパワーは、ビーム（６０７ａ）として遅延（３０８）に進み、参照信号（６０７ｂ）を生成するために任意の所望の遅延もしくは位相または他の特性を追加する。いくつかの実施形態では、遅延（３０８）は省略され、参照信号（６０７ｂ）は、信号（６０７ａ）と同一である。
【００６７】
光カプラ（６２４）は、参照信号を２つの参照ビームに分割し、走査光カプラ（３２０）を介して物体（３９０）から受信した戻り信号を２つの戻り信号に分割するように構成される。ビームは、等しいか等しくないパワービームに分割されることができる。１つの参照信号および１つの戻り信号は、ローパスフィルタ（６２６）を通過して光搬送波および高周波帯域を除去する。低域通過された参照信号および戻り信号は、光検出器（３３０）上に向けられ、演算増幅器（３４４）で増幅され且つＦＦＴコンポーネント（３４５）で変換され且つデータ分析モジュール（６６２）に供給されるビート電気信号を生成する。他の参照信号および他の戻り信号は、ハイパスフィルタ（６２８）を通過して光搬送波および低周波数帯域を除去する。高域通過された参照信号および戻り信号は、光検出器（６３０）上に向けられ、演算増幅器（６４４ａ）で増幅され且つＦＦＴコンポーネント（６４５）で変換され且つデータ分析モジュール（６６２）に供給されるビート電気信号を生成する。ドップラー補償モジュール（６８０）は、システム（６００）のアップチャープパスおよびダウンチャープパス内の距離の対を一致させるか、ドップラー効果を判定するか、または対応するドップラー効果、またはその両方に基づいて距離を補正する。いくつかの実施形態では、モジュール（６８０）はまた、ドップラー効果またはドップラー補正距離、またはいくつかの組み合わせに基づいて装置を動作させる。例えば、表示装置（１２１４）は、物体までの距離もしくは物体の速度またはいくつかの組み合わせの画像または点群を生成するように操作される。構成要素（３４４、３４５、６４４、６４５、６６２および６８０）は、データ処理システム（６６０）を構成する。多くの実施形態では、側波帯におけるアップチャープおよびダウンチャープの分離は、１ＧＨｚ未満であり、既存の光学フィルターを使用してきれいに分離されるのに十分大きくはない。そのような実施形態では、上述した図３Ｂのシステムが図６のシステムの代わりに使用される。
【００６８】
上述したように、第３の観測されたピーク（４１４ｃ）は、自然の設定で実際のシステムにおいて発生する可能性があるシステム誤差による例示的な無関係のピークであり、いかなる実際の関心のある物体までの距離とは関連付けられていない。これは、ドップラー効果もしくは補正距離またはその両方を判定するときに、どのアップチャープ距離とダウンチャープ距離とを対にするかを判定する際に問題を引き起こす可能性がある。すなわち、ＦＭチャープ波形（ＦＭＣＷ）システムが所与のサイトラインに沿って全ての散乱体からの反射を分解するときに複雑さが生じる。このシナリオでは、任意のドップラー処理アルゴリズムは、アップチャープおよびダウンチャープの距離プロファイルの複数の反射が補償のために正しく対にされるという要件を効果的に処理しなければならない。単一の距離反射の場合、「アップ」の１つのピークおよび「ダウン」の１つのピークは分離され、正しく対にされる。交絡する状況は、「アップ」および「ダウン」側において複数の散乱体からの複数のピークが存在するときに生じる。どのピークが所望の補償効果を得るために対にされるべきかが判定される必要があり、好ましくは、例えばプロセッサまたは集積回路上で自動的に進むように実施されることができる方法を使用して判定される。
【００６９】
ここでは、ドップラー効果およびドップラー補正距離を計算するためにアップチャープ距離およびダウンチャープ距離を自動的に対にするためのアプローチが説明される。このアプローチは、高い確率で正しいアップ／ダウン反射ペアリングを達成するために二部グラフマッチング定式化を使用する。図７Ａは、実施形態にかかる、例示的なアップチャープ距離およびダウンチャープ距離の対を示すブロック図である。各対は、１つのアップチャープ距離および１つのダウンチャープ距離を含む。この図は、例えば、それぞれ図４Ｂおよび図４Ａに示されるように、２つのダウンチャープ距離、および３つのアップチャープ距離が、ダウンチャープ距離（４２４ａおよび４２４ｂ）、ならびにアップチャープ距離（４１４ａ、４１４ｂおよび４１４ｃ）として存在すると仮定する。２つのダウンチャープ距離を３つのアップチャープ距離と対にすることには６つの可能性があり、ダウンチャープ距離１および２を３つのアップチャープ距離１、２および３のそれぞれと結ぶ線によって表される。
【００７０】
各可能性のある対について、コストが決定される。コストは、対における２つの距離間の相違の尺度である。任意の方法が相違を評価するために使用されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、各対に対するコストは、２つの距離について検出された距離の差である。いくつかの実施形態では、コストは、２つの距離に関連する検出されたピーク高さの差である。いくつかの実施形態では、コストは、２つの距離に関連するピーク幅の差である。いくつかの実施形態では、コストは、とりわけ、距離差、ピーク高さ差、およびピーク幅差などの２つ以上の別々の相違のスカラー値関数である。いくつかの実施形態では、コストは、とりわけ、距離差、ピーク高さ差、およびピーク幅差から選択された２つ以上の要素を有するベクトル関数である。コストは記号Ｃｎｍによって表され、ここで、ｍがダウンチャープ距離のための指標を示し、ｎがアップチャープ距離のための指標を示す。図７Ｂは、一実施形態にかかる、図７Ａに示される例示的な対のアップチャープおよびダウンチャープの距離に対応する要素を有する、例示的コストマトリックスを例証するブロック図である。図７では、指標が逆にされて最初にダウンチャープ距離の指標を示す（Ｃｍｎ）。
【００７１】
アップチャープ距離プロファイルからの距離反射Ｒｉ ｕｐのセット（Ｓｕｐ）および、ダウンチャープ距離プロファイルからの距離反射Ｒｊ ｄｏｗｎのセット（Ｓｄｏｗｎ）は、式１ｂならびに光検出器の電気出力のＦＦＴスペクトルの標準閾値化およびピークあてはめ法を介して選択された周波数のピーク（例えば、ピークの高さおよび幅に基づくピーク）を使用して決定される。
【００７２】
【数５】
2019537012.tif 000007
および、
【００７３】
【数６】
2019537012.tif 000008
Ｎ「アップ」ピークおよびＭ「ダウン」ピークが含まれる。その後、距離プロファイルの２つのセットは、コストマトリックスＣを定義するために使用され、ここで、各マトリックス要素は、対Ｃｎｍ＝Ｆ（Ｒｎ，ｕｐ，Ｒｍ，ｄｏｗｎ）と相関している。静的シーンの優れたコスト関数（シーンに対して移動しない撮像装置）は単に、その組み合わせに対するドップラー効果の大きさである。Ｆ（Ｒｎ，ｕｐ，Ｒｍ，ｄｏｗｎ）＝｜Ｒｎ，ｕｐ，−Ｒｍ，ｄｏｗｎ｜／２  、ここで、｜．｜は絶対値演算である。一般的なアプローチは、コスト関数の柔軟な定義を可能にする。例えば、コストは、ピークのセットの強度、非補償距離、撮像空間における撮像装置動きなどの外部情報（モバイル走査のための）、またはこれらの組み合わせなどの他のパラメーターを含むことができる。
【００７４】
一旦コストマトリックスＣが定義されると、アプローチは二部グラフマッチング手順を進める。この手順はしばしば組み合わせを制限して、所定のアップチャープ距離が単一のダウンチャープ距離のみと対になることができるようにし、またその逆も同様である。一致する対を接続する線は交差しないなどの、他の制約が課され得る。いくつかの実施形態では、マッチング処理は貪欲なさまで進み、それによって、アルゴリズムはさらなるペアリングが存在しなくなるまで、セットから最低のコストペアリング、最小値（Ｃｍｎ）を常に選ぶ。あるいは、ハンガリーの二部グラフマッチングアルゴリズム（例えば、Ｍｕｎｋｒｅｓ、１９５７年を参照）は、すべての対にわたって平均されたペアリングの最適な「最低のコスト」セットを生成するために使用することができる。他の実施形態では、他のグラフマッチング法が使用される。観察された現実世界シナリオを用いて、貪欲なアプローチは、意図した目的に対してより速くかつ十分であることがわかった。この方法は、反対側の最大の１つのピークと対になるために、両側のピークを制限するために選択された。これは、片側にあるピークが反対側にある２つと対になることが、非物理的または困惑させるシナリオを暗示するため、ペアリング手順の最も「物理的な」解釈である。他の組み合わせ手順が確かに存在する（それは、実験的な実施形態で見られたが、同様に実施されなかった）。例えば、「距離規則（ｒａｎｇｅ  ｏｒｄｅｒｅｄ）」アプローチは、アップおよびダウンの反射を距離に従って分類し、順次にそれらを対にした（最も近いものから最も遠いものへ）。両側の余分なピークは、片側が「ピークがなくなった」時に廃棄された。これは、わずかなドップラーシフトを伴う接近するピークの一般的シナリオでは失敗した。同様に、「振幅規則（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  ｏｒｄｅｒｅｄ）」は、振幅に従ってピークを分類し、振幅が大きい順でそれらを対にした。この方法は、コヒーレント検波におけるスペックル効果が検出したピークの振幅に大きな相違を引き起こすため、うまくいかなかった。これは、多くの不正確なペアリングに結びついた。コストマトリックスアプローチは、オプションを検討し、オプションのセットにわたって全体的に最小限にする最も一般的な方法であるように見える。図７Ａでは、実線によって表わされた２つの低コストの対が決定された。したがって、１つのアップチャープ距離（３）は、２つのダウンチャープ距離のどちらとも対にはならない。
【００７５】
図８は、実施形態に従って、距離に対するドップラー効果を補正するために、アップチャープおよびダウンチャープのＬＩＤＡＲシステムを使用する例示的方法を例証するフローチャートである。工程は、例示目的のために特定の順序で一体工程として図８に表されるが、他の実施形態では、１つ以上の工程またはその一部は、異なる順序で、時間的に重複して、連続してまたは平行して実施されるか、省略されるか、１つ以上の追加の工程が加えられるか、あるいは方法はいくつかの方法の組み合わせで変更される。
【００７６】
工程（８０１）で、トランシーバー（例えば、ＬＩＤＡＲシステム）は、アップチャープおよびダウンチャープの光学信号を送信するように構成される。アップチャープおよびダウンチャープ信号の各々の一部（例えば、１％〜１０％）も、参照光学経路に向けられる。トランシーバーも送信信号によって照射される任意の外部物体から後方散乱された光学信号を受け取るように構成される。他の実施形態では、アップチャープおよびダウンチャープ信号は同時に送信される。いくつかの実施形態では、工程（８０１）は、例えば、図３Ａ、図３Ｂ、図６、または同等物に例証されるように、１つ以上の下記の工程の機能を提供するために、ハードウェアの他の光学コンポーネントを構成することを含む。送信信号は、ビームである必要がないことに留意されたい。分岐信号は、確かに多くの様々な距離およびドップラー値を単一の距離プロファイル内で見るが；照射されるスポット内では交差距離分解能（ｃｒｏｓｓ  ｒａｎｇｅ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）を提供しない。しかし、物体を識別するために有用な交差距離分解能を提供するために、点走査によるポイントを伴う固有の希薄性を提供する細いビームを使用することが効果的である。
【００７７】
いくつかの実施形態では、アップチャープ光学信号はダウンチャープと対称であり、すなわち、それらは同じ帯域幅（Ｂ）および同じ持続時間τを有する。しかし、距離は、関心のあるリターンにまたがる任意の帯域幅および持続時間について決定することができる。したがって、いくつかの実施形態では、アップチャープ光学信号およびダウンチャープ光学信号は、それぞれ異なる帯域幅ＢｕおよびＢｄを有し、それぞれ異なる持続時間τｕおよびτｄ、またはいくつかのの組み合わせを有する。いくつかの実施形態では、図５Ｃに示されるように、例えば、正および負の一次側波帯ではなく、光搬送波の１つの一次側波帯および１つの二次側波帯を使用して、Ｂおよびτについてわずかに異なる値を生成することが便利である。これは、ドップラー処理において説明されなければないが、実施することができる。後述される例示的な実施形態では、チャープは、全く同じ帯域幅およびタイミングで、同じモジュレータから出る。これは、ドップラーおよびシステムが観察する距離が完全に重複することを保証する。異なるＢおよびτは、レーザー周波数を直接調整しているシステムの場合に使用される（ＶＳ外部電子変調の使用）。その場合、図６に示されるように、２つのレーザーまたは連続するアプローチは、アップチャープおよびダウンチャープを生成するのに有用である。これは、２つのレーザーまたは連続するチャープのための異なるＢおよびτに門戸を開く。
【００７８】
工程（８０２）では、物体または物体の一部が存在するか、または存在しないかもしれないシーンにおけるスポットに送信信号が向けられる。
【００７９】
工程（８０３）では、反射されたアップチャープ戻り信号がダウンチャープ戻り信号と分離される。例えば、アップチャープおよびダウンチャープが異なる光周波数帯域にあり、戻り信号を２つのコピーに分割し、各々が異なる光学フィルターを介して通過することを含む反射経路によって分離が達成される。１つのフィルター（例えば光学フィルター（６２６））は、アップチャープの周波数を通過させるが、ダウンチャープの周波数を遮断し；他のフィルター（例えば、光学フィルター（６２８））は、ダウンチャープ周波数を通過させるが、アップチャープの周波数を遮断する。アップチャープおよびダウンチャープが順次に送信される場合、光学フィルターを通過させるのではなく、異なる時間枠で信号を処理することによって分離がもたらされ、および両方のチャープは同じ周波数帯域を使用することができる。
【００８０】
工程（８０５）では、分割されたアップチャープ反射は、アップチャープ戻り信号の０以上の周波数差（または、結果としてもたらされるビート周波数）を決定するために、第１の検出器でアップチャープ参照信号と組み合わせられる。例えば、検出器からの電気信号は、ハードウェアのＦＦＴモジュールまたはプログラマブルプロセッサ上のソフトウェアによって操作される。アップチャープ信号およびダウンチャープ信号が同時に送信される場合、例えば、図３Ｂのような参照信号に対する送信信号または戻り信号の周波数シフト、あるいは図６のような光学フィルターなどの上記の１つ以上の方法およびシステムを使用して、戻り信号のアップチャープとダウンチャープ部分が分割される。
【００８１】
工程（８０７）では、１以上のアップチャープ距離、Ｒ１ｕｐ．．．ＲＮｕｐは、１以上のチャープ周波数差（ビート周波数）に基づいて、例えば、式１ｂまたはプロセッサ（６６２）の同等物を使用して決定される。加えて、１以上のダウンチャープ距離、Ｒ１ｄｏｗｎ…ＲＭｄｏｗｎは、１以上のダウンチャープ周波数差（ビート周波数）に基づいて、例えば、式１ｂまたはプロセッサ（６６２）の同等物を使用して決定される。アップチャープビート周波数を有しないか、ダウンチャープビート周波数を有しないリターンが、工程（８０７）の間に廃棄される。工程（８０７）の結果として、シーンのいくつかのスポットを照らす各送信信号について、式３ａおよび３ｂで表されるように、ＳｕｐおよびＳｄｏｗｎのセットが生成される。
【００８２】
工程（８１１）では、距離の差、ピーク高さ差、ピーク幅差、または任意の他のビート周波数ピーク特性の差などの上記識別された相違の測定のいずれか、またはいくつかのスカラーあるいはベクトルの組み合わせを用いて、コストマトリックスの要素に対する値が決定される。いくつかの実施形態では、距離の各対についてのコストは、例えば、距離の差に所定の最も高い重量（例えば、約６０％）を、ピーク高さの差に適度な重量（例えば、約３０％）を、およびピーク幅の差に低重量（例えば、約１０％）を与えるなど、いくつかのこれらの測定の機能に重みを加えたスカラーである。いくつかの実施形態では、バイアス項がコストマトリックスの各要素に加えられ、それは、撮像システムの動きおよびそれが指し得る方向を説明する。これは、撮像システムが静止物体を標的としているがそれ自体が動いている場合、０でない符号付きのドップラー値が予期され得るモバイル画像化の実施形態において効果的である。他の実施形態では、物体が動いているか、あるいは物体および画像が両方とも動いており、ならびに相対運動および物体の追跡に基づいてバイアス項を加えることは効果的である。修正の要素は、半径方向と呼ばれる撮像システムとターゲットとを接続する線上の速度の要素のみに依拠する。したがって、いくつかの実施形態では、バイアスは、センサの動きに対するビーム指向の方向に依拠する。撮像システムそれ自体が、相対速度を推測するために使用され得ることに留意されたい。コストマトリックスは、２つのセット、つまり１つのアップチャープ距離および１つのダウンチャープ、における距離の対に対するコストを含む。
【００８３】
工程（８１３）では、コストマトリックスに基づいて、例えば、二部グラフマッチングアルゴリズムを使用して、少なくとも１つのアップチャープ距離は少なくとも１つのダウンチャープ距離に一致する。貪欲な組み合わせは、実施がより簡単で、動作がより速く、ドップラー修正目的のために良好な自動組み合わせを行うのに十分であるという利点を提供することがわかった。例えば、以下に記載される図９Ｂおよび図９Ｃに示されるように、このアプローチは、アップ側およびダウン側における最も明るいピークの連続したペアリング、または常に距離において最も接近しているピークのペアリング、および外向きに進むなどの素朴なアプローチを用いるよりも優れたドップラー補正を有する像を生成した。
【００８４】
工程（８１５）では、現在照射されるスポットについての少なくとも１つの一致する対は、対における距離を差別化することによって、スポットで照射される少なくとも１つの物体または物体の一部についてのスポットにおいてドップラー効果を決定するために使用される。いくつかの実施形態では、ドップラー修正距離は、例えば、平均化することによって、対における２つの距離を組み合わせることに基づいて決定される。いくつかの実施形態では、アップチャープ距離またはダウンチャープ距離の１つがより信頼できると考えられる場合、加重平均が使用される。１つの距離は、例えば、それがより広い帯域幅またはより長い持続時間に依拠するため、より信頼できると考えられ得る。いくつかの実施形態では、信頼度の尺度は距離に重みを加えるために使用され、より信頼できる距離により多く重みを加える。いくつかの一致した距離が現在照射されるスポットに利用可能である場合、すべての一致する対は、複数の距離またはスポットに対する複数のドップラー効果を見つけるために使用される。
【００８５】
工程（８２１）では、例えば、関心のあるシーンで新規スポットを見るために走査光カプラ（３２０）を走査することによって、関心のあるシーンで照射する他のスポットがあるかどうかが判断される。他のスポットがある場合、制御は工程（８０２）に戻り、次のスポットを照らして任意の反射を処理する工程に続く。そして、他のスポットがない場合、結果が使用される前に照らすスポットはそれ以上なく、制御は工程（８２３）に渡される。
【００８６】
工程（８２３）では、デバイスは、ドップラー効果または修正距離に基づいて操作される。いくつかの実施形態では、これは、送信光学信号によって照射される複数のスポットにおける、任意の物体のドップラー修正位置を示す画像をディスプレイ装置上で提示することを含む。いくつかの実施形態では、これは、送信光学信号によって照射される複数のスポットにおけるドップラー修正位置の点群に基づいて少なくとも１つの物体を識別するデータをデバイスに伝達する。いくつかの実施形態では、これは、送信光学信号によって照射される複数のスポットにおけるドップラー効果の大きさを示す画像をディスプレイ装置上で提示することを含み、これによって、移動する物体は静止物体および存在しない物体と区別される。いくつかの実施形態では、これは、物体との衝突を回避するために車両を移動させることを含み、ここで、車両と物体の閉成速度は、送信光学信号によって照射される複数のスポットにおけるドップラー効果の大きさに基づいて決定される。いくつかの実施形態では、これは、送信光学信号によって照射される複数のスポットにおけるドップラー修正位置の点群に基づいて、衝突針路上で車両を識別するか、または物体を識別することを含む。ドップラーに基づく点群データのフィルタリングは、そよ風の中で動き得る植物を識別して削除する効果を有する。その後、ハードターゲット、人工ターゲット、または高密度ターゲットは、フィルター処理によってさらに明確になる。これは、防御および監視のシナリオにおいて効果的である。車両シナリオ−ドップラーは、セグメントターゲット（つまり、道路表面ＶＳ移動車両）に使用することができる。
【００８７】
４．例示的な実施形態
これらの例示的な実施形態では、ＬＩＤＡＲシステムは、同時アップチャープおよびダウンチャープ送信信号生を成するために、先に例証されたコンポーネントを使用した。このシステムは、モンタナ州ボーズマンのＢＬＡＣＫＭＯＲＥ  ＳＥＮＳＯＲＳ  ＡＮＤ  ＡＮＡＬＹＴＩＣＳ，  ＩＮＣ．ＴＭ  からＨＲＳ−３Ｄとして市販で入手可能である。これらの例示的な実施形態では、貪欲な組み合わせが使用された。第１の組み合わせは、最低コストとの組み合わせである。その後、その対は取り除かれ、次の最低コストとの対が使用される。
【００８８】
図９Ａ〜９Ｃは、一実施形態にかかる、ドップラー修正距離および非修正距離に対する改善に基づいて、ディスプレイ装置上の出力例を例証する画像である。図９Ａの画像は、広視野（ＦＯＶ）の３次元（３Ｄ）ＦＭチャープ波形（ＦＭＣＷ）ＬＩＤＡＲシステムを使用して集められた。このシーンは、Ｂ＝２ギガヘルツ（ＧＨｚ，１ＧＨｚ＝１０９Ｈｅｒｔｚ）の光帯域幅波形で画像化された。画像の黒画素はリターンを表わさず、白画素は無視できるドップラー効果を有する安定したリターンを表す（アップチャープ距離およびダウンチャープ距離は同じである）。グレーエリアは、２進法のフィルターにおけるドップラーの規模を使用する無視できないドップラー効果を有する画素を表わす。灰色画素は、植物の動きに対する感度を示す。画像は、植物とハードターゲットとを明白に区別する。後処理は、ハードターゲット表面上の望まれない強度斑点を除去した。例示的実施形態では、閾値は経験的に選ばれた。他の実施形態では、結果の長所のいくつかの尺度によっていくつかの閾値が選択される。さらに、最良の結果をもたらす閾値が選択される。
【００８９】
図９Ｂの画像は、図９Ａと同じ構成を用いて集められたが、検出後処理においてドップラー補正を行なわなかった。図９Ｃの画像は、同じＬＩＤＡＲシステムを用いて集められ、図８の方法を使用してドップラー修正を行なっていた。以上のように、木の葉の動きによって引き起こされたブレは、図９Ｃにおいて大幅に減少され、より多くの個々の枝および葉を識別することを可能にする。
【００９０】
他の試験が、１０Ｈｚのフレーム率でフレーム１つあたり１０，０００のデータポイント点群を生成する、速いフレーム率と狭い視界の撮像装置で実行された。試験人は、センサの視界内を行ったり来たりした。人の各画像は、数百の３次元撮像フレームの時系列から切り取られる（同じ３次元方向視野から切り取られる）。
【００９１】
図１０Ａは、一実施形態にかかる、ＬＩＤＡＲシステムに接近するターゲットについてのドップラー修正距離に基づくディスプレイ装置上の出力例を例証する３つの画像のセットである。各ドットは、人が動いている場合の物体上のスポットまでの距離に基づく、３次元空間の透視図を示す。ドットは、ＬＩＤＡＲシステムに対して動きがない光から３．５メートル毎秒（ｍ／ｓ）の閉成速度の黒まで延びるグレースケールを用いてプロットされる。白画素は反射を示さない。３つの異なる画像は重ねられる。画像（１０１２）は、ほとんど静止している表面上のほとんど静止している人を明確に示す。画像（１０１３）は、いくつかの動いている部分と、いくつかのほとんど静止している部分とを有する人を明確に示す。歩行の足取りで予期されるように、本体および前脚はほとんど静止しているように見える一方、後脚および前腕の両方ともは明らかにＬＩＤＡＲシステムに向かってより早く動いている。画像（１０１４）は、速く動く人を明確に示す。体の本体および前脚の速度は、後脚の速度より早く、ランニングの足取りと一致する。相対的運動は、例証されるグレースケールよりもカラースケールにおいてさらに明白である。さらに、様々な速度部分はそれらの正確な相対位置から離れていない。
【００９２】
図１０Ｂは、一実施形態にかかる、ＬＩＤＡＲシステムから後退するターゲットについてのドップラー修正距離に基づくディスプレイ装置上の出力例を例証する３つの画像のセットである。各ドットは、人が動いている場合の物体上のスポットまでの距離に基づく、３次元空間の透視図における位置を示す。ドットは、ＬＩＤＡＲシステムに対して動きがない光から、３．５ｍ／ｓの開離速度の黒へと延びるグレースケールを用いてプロットされる。白画素はリターンを示さない。３つの異なる画像は重ねられる。画像（１０２２）は、約−２ｍ／ｓの適度な速度で離れて動く人を明確に示す。画像（１０２３）は、約−３ｍ／ｓより大きな速度で離れて動く人を明確に示し、植物の脚はいくぶん遅く、ランニングの足取りと一致する。画像（１０２４）は、約−２ｍ／ｓの減少した速度で離れて動く人を明確に示し、植物の脚および本体は持ち上げれた脚よりいくぶん遅く、走った後に立ち止まるのと一致する。相対的運動は、例証されるグレースケールよりもカラースケールにおいてより明白である。上記のように、人の様々な速度部分は、正確な相対位置から離れていない。
【００９３】
したがって、システムは、修正距離を用いてすべての画素を人の形に正確に配置するだけでなく、ドップラー効果に基づいて人の姿の動きも確認する。
【００９４】
他の実施形態では、システムは揺れる植物を修正するために使用される。平行にされたレーザー光線は、頭上の木を介して走査される。ドップラー値の存在を伴う複数の反射を有する可能性は、特に微風または風が存在する場合、非常に高い。そのような植物は、所定の視線に沿った距離において、緊密に分割された高密度な散乱体を提供する。風それ自体が、植物においてドップラーシフトを引き起こし、したがって、植物の画像化をさらに困難にすることもある。図１１は、一実施形態にかかる、ドップラー修正距離に基づくディスプレイ装置上の高分解能での出力例を例証する画像である。この画像は、記載される技術を用いて、輪郭が非常に明確な画像を得ることができることを実証する。これは、そのようなシナリオにおいて、技術が非常にリアルな画像を提供することに効果的であるという強力な証拠を提供する。
【００９５】
５．計算上ハードウェア概要
図１２は、本発明の実施形態が実施され得るコンピュータシステム（１２００）を例証するブロック図である。コンピュータシステム（１２００）は、コンピュータシステム（１２００）の他の内部および外部のコンポーネント間に情報を渡すバス（１２１０）などの通信機構を含む。情報は、典型的には電圧であるが、他の実施形態では、磁気、電磁気、現象、圧力、化学物質、分子の原子と量子の相互作用などの現象を含む、測定可能な現象の物理的な信号として表される。例えば、北向きのおよび南向きの磁界、または０および非０電気電圧は、２進数字（ビット）の２つの状態（０，１）を表している。他の現象は、より高次の進数の桁を表すことができる。測定前の複数の同時の量子的状態の重ね合わせは量子ビット（量子ビット）を表す。１つ以上の進数字列は、数を表すかあるいは文字をコードするために使用されるデジタルデータを構成する。いくつかの実施形態において、アナログデータと呼ばれる情報は、特定の範囲内の測定可能な値の近い連続体によって表される。コンピュータシステム（１２００）またはその一部は、本明細書に記載される１つ以上の方法の１工程以上行うための手段を構成する。
【００９６】
２進数字列は、数を表すかあるいは文字をコードするために使用されるデジタルデータを構成する。バス（１２１０）は、情報はバス（１２１０）に接続されたデバイス間で迅速に転送されるように、多くの情報平行導体を含む。情報を処理するための１つ以上のプロセッサ（１２０２）がバス（１２１０）と接続される。プロセッサ（１２０２）は、情報の一連の操作を行う。一連の操作は、情報をバス（１２１０）から持ち出し、情報をバス（１２１０）上に置くことを含む。一連の操作は、さらに典型的には２単位以上の情報を比較し、情報の単位の位置を変え、足し算または掛け算によるなどして２単位以上の情報を組み合わせることを含む。プロセッサ（１２０２）によって実行される一連の動作は、コンピュータ命令を構成する。
【００９７】
コンピュータシステム（１２００）はさらに、バス（１２１０）に接続されるメモリ（１２０４）を含む。ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）あるいは他の動的記憶装置などのメモリ（１２０４）は、コンピュータ命令を含む情報を保存する。ダイナミックメモリは、内部に保存される情報がコンピュータシステム（１２００）によって変更されることを可能にする。ＲＡＭにより、メモリアドレスと呼ばれる位置に保存された情報の単位を、近隣のアドレスの情報とは無関係に保存して検索することができる。メモリ（１２０４）は、コンピュータ命令の実行の間に一時的な値を保存するために、プロセッサ（１２０２）によっても使用される。コンピュータシステム（１２００）は、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）（１２０６）、または命令を含む静的情報を保存するためにバス（１２１０）に接続される他の静的記憶装置を含み、それは、コンピュータシステム（１２００）によって変更されない。さらに、コンピュータシステム（１２００）が電源を切られるか、他の方法で電力を失った時でも永続する、命令を含む情報を保存するための磁気ディスクまたは光ディスクなどの不揮発性の（永続的）記憶装置（１２０８）もバス（１２１０）に接続される。
【００９８】
命令を含む情報は、人間のユーザーによって操作された英数字キーを含むキーボードなどの外部入力装置（１２１２）あるいはセンサから、プロセッサにより使用されるためにバス（１２１０）に提供される。センサはその付近の状態を検出し、その検出を、コンピュータシステム（１２００）で情報を表すために使用される信号と適合する信号へと転換する。主として人間と相互に作用するために使用されるバス（１２１０）につながれた他の外部装置は、画像を提示するための陰極線管（ＣＲＴ）あるいは液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などのディスプレイ装置（１２１４）、および、ディスプレイ（１２１４）上に提示された小さなカーソル画像の位置を制御し、ディスプレイ（１２１４）に提示されたグラフィック要素に関連したコマンドを発するための、マウスあるいはトラックボールあるいはカーソル方向キーなどのポインティングデバイス（１２１６）を含む。
【００９９】
例証された実施形態では、特定用途向け集積回路（ＩＣ）（１２２０）などの特殊目的ハードウェアは、バス（１２１０）につながれる。特殊目的ハードウェアは、特殊な目的のためにプロセッサ（１２０２）では十分に速く行われない操作を行なうように構成される。特定用途向けのＩＣの例としては、ディスプレイ（１２１４）向けの画像を生成するためのグラフィックアクセラレータカード、ネットワークを介して送信されたメッセージを暗号化して解読するための暗号処理ボード、音声認識、および、ハードウェアでより効率的に実行されるいくつかの複雑な動作のシーケンスを繰り返し行う、ロボットアームや医療スキャニング装置などの特別な外部装置に対するインターフェースが挙げられる。
【０１００】
コンピュータシステム（１２００）は、バス（１２１０）につながれた通信インターフェース（１２７０）の１つ以上の例をさらに含む。通信インターフェース（１２７０）は、プリンター、スキャナー、および外部ディスクなどのそれ自体のプロセッサで作動する様々な外部装置との双方向通信結合を提供する。一般に、この結合は、プロセッサを備えた様々な外部装置が接続されるローカルネットワーク（１２８０）に接続されるネットワークリンク（１２７８）とのものである。例えば、通信インターフェース（１２７０）は、パラレルポートあるいはシリアルポート、またはパソコン上のユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）であってもよい。いくつかの実施形態において、通信インターフェース（１２７０）は、サービス総合デジタル網（ＩＳＤＮ）カード、あるいはデジタル加入者線（ＤＳＬ）カード、あるいは、電話回線の対応するタイプに対する情報通信接続を提供する電話モデムである。いくつかの実施形態において、通信インターフェース（１２７０）は、バス（１２１０）上の信号を同軸ケーブルを介した通信接続の信号に、あるいは光ファイバーケーブルを介した通信接続のための光信号に変換するケーブルモデムである。別の例として、通信インターフェース（１２７０）は、イーサネット（登録商標）などの適合するＬＡＮへのデータ通信接続を提供するための、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）カードであってもよい。無線リンクが実装されることもある。電波、光波、および赤外線波を含む音波と電磁波などの搬送波は、ワイヤーまたはケーブルを介さずに空間を移動する。信号は、搬送波の振幅、周波数、相、偏光、あるいは他の物理的特性の人為的な変動を含む。無線リンクについては、通信インターフェース（１２７０）は、デジタルデータなどの情報の流れを運ぶ赤外線信号と光信号を含む、電気信号、音響信号、あるいは電磁信号を送受信する。
【０１０１】
コンピュータ可読媒体という用語は、プロセッサ（１２０２）に実行命令を含む情報を提供することに参加するあらゆる媒体を指すように本明細書では使用される。こうした媒体は、限定されないが、不揮発性の媒体、揮発性の媒体、および伝達媒体を含む多くの形態をとってもよい。不揮発性の媒体は、例えば、記憶装置（１２０８）などの光学ディスクまたは磁気ディスクを含む。揮発性の媒体は例えば、ダイナミックメモリ（１２０４）を含んでいる。伝達媒体は、例えば、同軸ケーブル、銅線、光ファイバーケーブル、電波、光波、および赤外線波を含む音波と電磁波などの、ワイヤーまたはケーブルを介さずに空間を移動する波を含む。コンピュータ可読記憶媒体という用語は、伝達媒体を除いて、プロセッサ（１２０２）に情報を提供することに参加するあらゆる媒体を指すように本明細書で使用される。
【０１０２】
コンピュータ可読媒体の一般の形態としては、例えば、フロッピーディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、またはあらゆる他の磁気媒体、コンパクトディスクＲＯＭ（ＣＤ−ＲＯＭ）、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）またはあらゆる他の光学媒体、パンチカード、紙テープ、またはホールのパターンを備えたあらゆる他の物理的な媒体、ＲＡＭ、プログラマブルＲＯＭ（ＰＲＯＭ）、消去可能なＰＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ）、ＦＬＡＳＨ−ＥＰＲＯＭ、またはあらゆる他のメモリーチップあるいはカートリッジ、搬送波、またはコンピュータが読み取ることができるあらゆる他の媒体が挙げられる。非一時的なコンピュータ可読記憶媒体という用語は、搬送波と他の信号を除いて、プロセッサ（１２０２）に情報を提供することに参加するあらゆる媒体を指すように本明細書で使用される。
【０１０３】
１つ以上の有形媒体内にエンコードされたロジックは、ＡＳＩＣ（１２２０）などのコンピュータ可読記憶媒体および特殊な用途のハードウェア上のプロセッサ命令の１つまたはその両方を含む。
【０１０４】
ネットワークリンク（１２７８）は典型的には、情報を使用または処理する他の装置に、１つ以上のネットワークを介する情報通信を提供する。例えば、ネットワークリンク（１２７８）は、ローカルネットワーク（１２８０）を介してホストコンピュータ（１２８２）へ、あるいはインターネットサービスプロバイダー（ＩＳＰ）によって操作された装置（１２８４）へ、接続を提供することがある。同様に、ＩＳＰ機器（１２８４）は、現在一般的にインターネット（１２９０）と呼ばれるネットワークのパブリックワールドワイドパケット交換通信ネットワークを通じて、データ通信サービスを提供する。インターネットに接続されたサーバー（１２９２）と呼ばれるコンピュータは、インターネットを介して受け取った情報に応じてサービスを提供する。例えば、サーバー（１２９２）は、ディスプレイ（１２１４）で提示するための映像データを表す情報を提供する。
【０１０５】
本発明は、本明細書に記載される技術を実施するためのコンピュータシステム（１２００）の使用に関する。本発明の１つの実施形態によれば、こうした技術は、メモリ（１２０４）に含まれている１つ以上の命令の１つ以上のシーケンスを実行するプロセッサ（１２０２）に応じて、コンピュータシステム（１２００）によって行われる。ソフトウェアおよびプログラムコードとも呼ばれるこうした命令は、記憶装置（１２０８）などの別のコンピュータ可読媒体からメモリ（１２０４）に読み込まれることもある。メモリ（１２０４）に含まれる命令のシーケンスを実行することで、プロセッサ（１２０２）は本明細書に記載される方法の工程を行う。代替的な実施形態では、特定用途向け集積回路（１２２０）などのハードウェアは、本発明を実行するためにソフトウェアの代わりに、あるいはソフトウェアと組み合わせて使用されてもよい。したがって、本発明の実施形態はハードウェアとソフトウェアのいかなる特定の組み合わせにも制限されない。
【０１０６】
通信インターフェース（１２７０）でネットワークリンク（１２７８）および他のネットワークを介して送信された信号は、コンピュータシステム（１２００）への、またはコンピュータシステム（１２００）からの情報を伝達する。コンピュータシステム（１２００）は、とりわけ、ネットワーク（１２８０、１２９０）を介して、ネットワークリンク（１２７８）と通信インターフェース（１２７０）を介して、プログラムコードを含む情報を送受信することができる。インターネット（１２９０）を使用する一例において、サーバー（１２９２）は、インターネット（１２９０）、ＩＳＰ装置（１２９０）、ローカルネットワーク（１２８０）、および通信インターフェース（１２７０）を介してコンピューター（１２００）から送信されたメッセージによって要求される、特定用途のためのプログラムコードを送信する。受け取られたコードは、プロセッサ（１２０２）によって受け取られて実行されることもあれば、後に実行するために記憶装置（１２０８）あるいは他の不揮発性記憶装置に保存されることもあれば、その両方であることもある。このように、コンピュータシステム（１２００）は、搬送波上の信号の形態のアプリケーションプログラムコードを得ることもある。
【０１０７】
コンピュータ可読な媒体の様々な形態は、実行用プロセッサ（１２０２）への、命令またはデータまたはその両方の１つ以上のシーケンスの伝達に関与することもある。例えば、命令およびデータは、ホスト（１２８２）などのリモートコンピュータの磁気ディスクに最初に運ばれることがある。リモートコンピュータはそのダイナミックメモリに命令およびデータをロードし、モデムを使用する電話回線で命令およびデータを送る。コンピュータシステム（１２００）固有のモデムは、電話線上で命令およびデータを受信し、命令およびデータを、ネットワークリンク（１２７８）として機能する赤外線搬送波上の信号に変換するために赤外線送信機を使用する。通信インターフェース（１２７０）として役立つ赤外線検出器は、赤外線信号で運ばれた命令およびデータを受け取り、命令とデータを表す情報をバス（１２１０）に乗せる。バス（１２１０）はメモリ（１２０４）に情報を伝え、プロセッサ（１２０２）は、命令とともに送信されたデータの一部を用いて、該メモリからの命令を検索して実行する。メモリ（１２０４）で受け取られた命令およびデータは、プロセッサ（１２０２）によって実行される前後いずれかに、記憶装置（１２０８）上に随意に保存されてもよい。
【０１０８】
図１３は、本発明の実施形態が実施され得るチップセット（１３００）を例証する。チップセット（１３００）は、本明細書に記載される方法の１以上の工程を行うようにプログラムされ、例えば、１つ以上の物理的な包装（例えば、チップ）に組み入れられた図１２に関して記載されたプロセッサおよびメモリのコンポーネントを含む。例として、物理的な包装は、物理的強度、サイズの保存、および／または電気的な相互作用の限定などの１つ以上の特徴を提供するために、構造的なアセンブリ（例えば、幅木）上での１つ以上の材料、コンポーネント、および／またはワイヤーの配置を含む。ある実施形態では、チップセットをシングルチップ中に実装することができると企図される。チップセット（１３００）またはその一部は、本明細書に記載される方法の１以上の工程を行うための手段を構成する。
【０１０９】
１つの実施形態において、チップセット（１３００）は、チップセット（１３００）のコンポーネント中の情報を伝達するためのバス（１３００）などの通信メカニズムを含む。プロセッサ（１３０３）は、命令を実行し、例えば、メモリ（１３０５）に保存された情報を処理するために、バス（１３０１）に対して接続性を有する。プロセッサ（１３０３）は１つ以上の処理コアを含むことがあり、各コアは独立して行うように構成されている。マルチコアプロセッサは、単一の物理的な包装内でのマルチプロセッシングを可能にする。マルチコアプロセッサの例としては、２、４、８、またはそれ以上の数の処理コアを含んでいる。代替的に、あるいは追加的に、プロセッサ（１３０３）は、命令の独立した実行、パイプライン処理、およびマルチスレッディングを可能にするために、バス（１３０１）によって縦一列に並んで構成された１つ以上のマイクロプロセッサを含むことがある。１つ以上のデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）（１３０７）あるいは１つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）（１３０９）などの特定の処理機能およびタスクを行うために、プロセッサ（１３０３）には１つ以上の専用コンポーネントが伴うことがある。ＤＳＰ（１３０７）は、典型的には、プロセッサ（１３０３）とは無関係にリアルタイムで現実世界の信号（例えば、音）を処理するように構成される。同様に、ＡＳＩＣ（１３０９）は、汎用プロセッサでは容易に行われない専門的な機能を行うように構成可能である。本明細書に記載される創造性のある機能を行うことを支援する他の専門的なコンポーネントは、１つ以上のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）（図示せず）、１つ以上の制御装置（図示せず）、あるいは１つ以上の他の特殊目的コンピュータチップを含む。
【０１１０】
プロセッサ（１３０３）および付随するコンポーネントは、バス（１３０１）によってメモリ（１３０５）に対する接続性を有する。メモリ（１３０５）は、実行時に本明細書に記載される方法の１以上の工程を行う実行可能な命令を保存するために、ダイナミックメモリ（例えば、ＲＡＭ、磁気ディスク、書き込み可能な光ディスクなど）およびスタティックメモリ（例えば、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭなど）の両方を含む。メモリ（１３０５）はさらに、本明細書に記載される方法の１以上の工程の実行に関連付けられる、あるいは該実行により生成されるデータを保存する。
【０１１１】
６．変更、拡張、および修正
前述の明細書では、本発明はその特定の実施形態に関して記載されている。しかしながら、本発明のより広い精神と範囲から逸脱することなく、様々な修飾や変更を行うことが可能であるということは明らかである。このため、明細書および図面は限定的な意味ではなく、例証的な意味としてみなされるものである。本明細書および請求項にわたって、文脈から別段の必要性がない限り、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」との用語とその変化形態、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「含むこと（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などは、記載された項目、要素、または工程、あるいは項目、要素、または工程のグループを包含することを暗に意味するが、他の項目、要素、または工程、あるいは項目、要素、または工程のグループを除外することを暗に意味するものではないことが理解されよう。さらに、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、不定冠詞によって修飾される項目、要素、または工程の１つ以上を示すように意味する。本明細書で使用する場合、文脈から明らかでない限り、他の値の係数２（２倍または２分の１）内である場合、値は「約」他の値である。例の範囲が与えられる場合、文脈から明らかでない限り、任意の含まれる範囲は、様々な実施形態においても意図されている。したがって、０から１０の範囲は、いくつかの実施形態において１から４の範囲を含む。
【０１１２】
７．参考文献
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・Ｈｕｉ，  Ｒ．，  Ｃ．  Ａｌｌｅｎ，  ａｎｄ  Ｐ．  Ａｄａｎｙ，  “Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｓｃｈｅｍｅ  ｆｏｒ  ＦＭ  Ｃｈｉｒｐｅｄ  ｌａｓｅｒ  ＲＡＤＡＲ，”  ＵＳ  ｐａｔｅｎｔ  ７，７４２，１５２，  ２２  Ｊｕｎｅ  ２０１０．
・Ｋａｃｈｅｌｍｙｅｒ，  Ａ．Ｌ．，  “Ｒａｎｇｅ−Ｄｏｐｐｌｅｒ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｌａｓｅｒ  Ｒａｄａｒ，”  Ｔｈｅ  Ｌｉｎｃｏｌｎ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ  Ｊｏｕｒｎａｌ，  ｖ．３．（１），  １９９０．
・Ｍｕｎｋｒｅｓ，  Ｊ．，  “Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ  ａｎｄ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｂｌｅｍｓ，”  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ，  ｖ  ５  （１），  ｐｐ  ３２−３８，  Ｍａｒ．，１９５７．
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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